DE10000716A1 - System zur photolytischen Wasserspaltung - Google Patents

System zur photolytischen Wasserspaltung

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser durch Sonnenenergie unter Verwendung eines Fotosensibilisators offenbart. Der Fotosensibilisator befindet sich gegebenenfalls zusammen mit einem Oxidationskatalysator in einer Kammer, die durch eine für Ladungsträger durchlässige Membran von einer zweiten Kammer, in der sich gegebenenfalls ein Elektronenrelais und ein Reduktionskatalysator befinden, abgetrennt ist. Dabei muss nur die Kammer mit dem Fotosensibilisator mit Licht versorgt werden. Die Membran ist vorteilhaft sowohl für Protonen als auch für Elektronen durchlässig. Der Oxidationskatalysator ist vorteilhaft auf die Membran aufgebracht. In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens werden Ruthenium-tris-(2,2'-bipyridyl)-dikation als Fotosensibilisator, N-N'-Dimethyl-4,4'-bipyridinium-dichlorid als Elektronenrelais, Platin als Reduktionskatalysator und Ruthenium(IV)-oxid als Oxidationskatalysator verwendet. Das Licht wird vorteilhaft durch optische Elemente auf den Reaktionsraum in der Nähe der Membran konzentriert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser mit Hilfe von Sonnenenergie.
Damit Wasserstoff und Sauerstoff effektiv photolytisch aus Wasser gewonnen werden können, ist es nötig die sauerstoffproduzierende Seite von der wasserstoffproduzierenden Seite räumlich zu trennen.
Es gibt zwar, wie in dem Schlußbericht 0329 119 A zum BMBF-Forschungsvorhaben 03-291 19 A6 der Universität des Saarlandes, Saarbrücken, Fachbereich 11.2/Org. Chemie beschrieben, die Möglichkeit die beiden unter Einsatz eines Elektronendonors, bzw. Akzeptors auch unabhängig voneinander funktionierenden Halbsysteme in getrennten Kammern, die durch einer Membran verbunden sind ablaufen zu lassen, in dem dort vorgestellten Konzept findet jedoch in beiden Kammern eine Anregung des Fotosensibilisators statt. Dies ist eigentlich unnötig. Ein weiterer Nachteil dieses Konzepts besteht darin, dass beide Kammern Licht benötigen, weshalb eine Konstruktion, die dieses System technisch nutzbar macht, unnötig kompliziert wäre.
Ein Material, das die für die Membran notwendigen Eigenschaften besitzt, nämlich eine gleichzeitige Durchlässigkeit für Elektronen und Protonen, ist nach heutigem Kenntnisstand technisch nicht realisierbar. Weshalb in dem angeführten Schlußbericht auch die Benutzung mehrerer Materialien angeregt wird. Eine genauere Beschreibung ist dort allerdings nicht zu finden.
Grundsätzlich werden für den notwendigen Ladungstransport über eine Membran nach dem Stand der Technik ionenleitende Materialien (speziell Protonenleiter), Leiter auf molekularer Basis oder Halbleiter bzw. Fotohalbleiter benutzt. Siehe hierzu auch US-Patent Nr. 4,595,465, Nr. 4,620,906, Nr. 5,693,432, Nr. 4,427,511
Aufgabe dieser Erfindung ist es insbesondere ein Verfahren und die dafür notwendige Vorrichtung zu beschreiben, die keine parallelen Reaktionsschritte mehr aufweisen und nur die Bestrahlung einer Kammer erfordern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. In der weiteren Ausgestaltung des Verfahrens und der dafür notwendigen Vorrichtung werden zusätzliche vorteilhafte Ergänzungen beschrieben, die jedoch zum prinzipiellen Betrieb des Verfahrens nicht notwendig sind.
Vorteil dieses Systems ist es, dass die beiden o. g. Schritte nicht mehr parallel ablaufen. Des Weiteren wird das System durch die gewählte Anordnung kompakter, da nur noch eine der Kammern bestrahlt werden muss. Durch den Einsatz von optischen Komponenten wird zusätzlich die Effektivität des Systems gesteigert.
Die prinzipiellen Reaktionen des Verfahrens nach Anspruch 1 sind in Fig. 1 dargestellt. In einer Kammer wird ein Sensibilisator S durch Licht angeregt und überträgt ein Elektron auf eine Membran, durch die es in eine zweite Kammer transportiert wird. Dort wird es auf ein H+-Ion übertragen und es bildet sich Wasserstoff (5). Das H+-Ion wird ebenfalls durch diese oder eine andere Membran aus der ersten Kammer in die zweite Kammer übertragen. Es entsteht bei der Sauerstofferzeugung, bei der der oxidierte Sensibilisator ein Elektron aufnimmt (3).
Die chemischen Reaktionen, die mit dem in der Literatur hinreichend beschriebenen Fotosensibilisator-Elektronenrelais-System (Ruthenium-tris-(2,2'-bipyridyl)-dikation, N-N'-Dimethyl-4,4'-bipyridinium-dichlorid) unter Verwendung der beiden Katalysatoren (kolloidales Platin und Ruthenium(IV)-oxid) in dem anspruchsgemäßen Verfahren ablaufen sind in Fig. 3 dargestellt.
Fig. 2 zeigt eine mögliche technische Konstruktion der anspruchsgemäßen Vorrichtung unter Berücksichtigung der in den Unteransprüchen aufgeführten Varianten zusammen mit den ablaufenden chemischen Reaktionen.
In dieser Abbildung wird auch eine Membran gezeigt. Diese Membran ist zweigeteilt, da sie zwei Aufgaben erfüllen muß, die sie nach dem heutigen Stand der Technik nicht gleichzeitig leisten kann.
Teil 1 (in Fig. 2 der linke Teil) überträgt die Elektronen vom angeregten Ruthenium-tris-(2,2'-bipyridyl)-dikation (Ru(bpy)2+* 3) auf das N-N'-Dimethyl-4,4'-bipyridinium-dichlorid (MV2+).
Teil 2 (in Fig. 2 der rechte Teil) läßt Wasserstoffionen (H+-Ionen) durch. Beide Teile sind dort wo sie aufeinandertreffen gegeneinander isoliert, damit in der Membran keine Neben- oder Kurzschlussreaktionen auftreten.
In Fig. 2 wird auch gezeigt, wie Licht gebündelt und mittels eines Lichtleiters in ein begrenztes Reaktionsvolumen in der Nähe der Membran geleitet wird.
Es ist unnötig, das gesamte System zu bestrahlen, da die Reaktion, zu der Licht gebraucht wird, nur in der Nähe der Membran auftritt.
Deshalb ist es sinnvoll hier optische Komponenten einzusetzen, die das Licht bündeln und nur auf einen kleinen Bereich oberhalb der Membran lenkt. Dies kann vorteilhaft auch mit Lichtleitern geschehen.
Weiterhin ist in Fig. 2 auch gezeigt, wo sich die beiden Katalysatoren bevorzugt befinden sollten. Der für die Wasserstoffproduktion notwendige Platinkatalysator (Pt) befindet sich in Form kolloidaler Partikel frei zusammen mit dem MV2+ in der Flüssigkeit der Halbzelle.
Der zur Sauerstoffproduktion notwendige Rutheniumoxidkatalysator (RuO2) sollte sich bevorzugt als Feststoff auf der Membran befinden, weil dann die Wasserstoffionen gleich an der Membran gebildet werden und somit ohne einen weiten Weg zurücklegen zu müssen gleich durch die Membran in die wasserstoffproduzierende Halbzelle gelangen können.

Claims (19)

1. Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser mit der von der Sonne gelieferten Energie, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der beiden Reaktionsprodukte, räumlich getrennt, in zwei durch eine oder mehrere Ladungsträger durchlässige Membranen voneinander abgetrennten Kammern erfolgt, von denen nur die sauerstoffproduzierende Kammer einen Fotosensibilisator enthält.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die sauerstoffproduzierende Kammer zusätzlich einen Oxidationskatalysator und die wasserstoffproduzierende Kammer ein Elektronenrelais und einen Reduktionskatalysator enthalten.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei als Fotosensibilisator das Ruthenium-tris-(2,2'-bipyridyl)-dikation verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, wobei als Elektronenrelais N-N'- Dimethyl-4,4'-bipyridinium-dichlorid verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, wobei als Reduktionskatalysator Platin verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, wobei als Oxidationskatalysator Ruthenium(IV)-oxid verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweigeteilte Membran verwendet wird, deren Teile gegeneinander isoliert sind und deren einer Teil ein Protonenleiter und deren anderer Teil ein Elektronenleiter, Halbleiter, Fotohalbleiter oder Ionenleiter sind.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei als Protonenleiter Nation verwendet wird. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei der Oxidationskatalysator mit jeglichem Verfahren auf die Oberfläche des Protonenleiters aufgebracht wird. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7-9, wobei als nicht-protonenleitender Teil der Membran ein Halbleiter verwendet wird, der eine Dotierung besitzt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7-10, dadurch gekennzeichnet, dass an den nicht-protonenleitenden Teil der Membran eine Spannung angelegt wird, welche die Ladungstrennung unterstützt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass das Sonnenlicht mittels optischer Komponenten gebündelt und in einen begrenzten Reaktionsraum in unmittelbarer Nähe der Membran geleitet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bündelung des Lichts über Linsen oder Spiegel erfolgt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das gebündelte Licht durch einen Lichtleiter in den begrenzten Reaktionsraum in unmittelbarer Nähe der Membran geleitet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtleiter Bündel optischer Fasern verwendet werden.
16. Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser mit der von der Sonne gelieferten Energie, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der beiden Reaktionsprodukte räumlich getrennt in zwei durch eine oder mehrere für Ladungsträger durchlässige Membranen voneinander abgetrennten Kammern erfolgt, von denen nur eine mit dem Licht der Sonne versorgt werden muss.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine zweigeteilte Membran aufweist, deren Teile gegeneinander isoliert sind, wobei der eine Teil aus einem Protonenleiter und der andere Teil aus einem Elektronenleiter, Halbleiter, Fotohalbleiter oder Ionenleiter bestehen.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht- protonenleitende Teil der Membran ein Halbleiter ist, der eine Dotierung aufweist. 19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16-18, dadurch gekennzeichnet, dass sie optische Komponenten zur Bündelung des Lichtes aufweist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Bündelung des Lichts Linsen oder Spiegel aufweist.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Lichtleiter aufweist, der in einen begrenzten Reaktionsraum in unmittelbarer Nähe der Membran führt.
22. Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter aus Bündeln optischer Fasern besteht.
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