DE102022107894A1 - Verfahren zum Herstellen eines Reaktors, Reaktoren und Anordnungen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Reaktors zur lichtinduzierten Produktion von gasförmigem Brennstoff, wobei ein Strukturmaterial mithilfe eines Opfermaterials porös strukturiert wird und ein Halbleitermaterial eingebracht wird. Die Erfindung betrifft des Weiteren zugehörige Reaktoren und zugehörige Anordnungen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Reaktors zur lichtinduzierten Produktion von gasförmigem Brennstoff sowie zugehörige Reaktoren und zugehörige Anordnungen.
  • Im Zuge der Umstellung industrieller Prozesse und auch anderer technischer Systeme wie beispielsweise von Kraftfahrzeugen auf eine Betriebsweise, die möglichst wenig Kohlendioxid oder andere Treibhausgase erzeugt, kommt gasförmigem Brennstoff wie beispielsweise Wasserstoff oder Methan eine besondere Bedeutung zu. Derartiger gasförmiger Brennstoff kann insbesondere wesentlich leichter gelagert werden als elektrischer Strom gespeichert werden kann, und er erzeugt typischerweise bei der Verbrennung kein oder zumindest nur wenig Kohlendioxid. Wird der gasförmige Brennstoff nicht aus fossilen Energiequellen entnommen, sondern mithilfe von umweltfreundlich erzeugtem Strom produziert und/oder auf eine Art und Weise produziert, welche der Atmosphäre so viel Kohlendioxid entnimmt, wie später bei der Verbrennung frei wird, handelt es sich bei gasförmigem Brennstoff um einen klimaneutralen Energieträger.
  • Bekannte Ansätze zur Gewinnung möglichst klimaneutraler gasförmiger Brennstoffe basieren insbesondere auf der Überlegung, den Brennstoff mithilfe von Strom zu erzeugen, welcher von erneuerbaren Energiequellen überschüssig ins Netz eingespeist wird. Dies kommt insbesondere dann vor, wenn umweltabhängige Stromerzeuger wie Windkraftanlagen oder Solarzellen aufgrund hoher Windstärke bzw. hoher Sonneneinstrahlung viel Strom erzeugen, dieser jedoch von den am Netz angeschlossenen Verbrauchern gerade nicht benötigt wird. In derartigen Situationen ist es für die Netzstabilität essenziell, den überschüssigen Strom in geeigneter Weise abzuleiten. Da die Speicherung von Strom in chemischen Energiespeichern aufwändig und teuer ist sowie einen hohen Platzbedarf hat, kann durch die selektive Erzeugung von gasförmigem Brennstoff mithilfe des überschüssigen Stroms für eine Entlastung des Stromnetzes von überschüssigem Strom gesorgt werden. Nachteilig an dieser Vorgehensweise ist jedoch, dass der gasförmige Brennstoff in diesem Fall nicht längerfristig prognostizierbar erzeugt werden kann, da die Verfügbarkeit von überschüssigem Strom sowohl vom Verbrauchsverhalten anderer Verbraucher wie auch von Wetterbedingungen abhängig ist. Des Weiteren ist der Gesamtwirkungsgrad derzeit noch relativ gering.
  • Im Zuge der zunehmenden Einführung gasförmiger Brennstoffe als Energieträger in Systemen, welche bislang von fossilen Energieträgern versorgt werden, wird der Bedarf gasförmiger Brennstoffe wie insbesondere Wasserstoff und Methan deutlich zunehmen, so dass eine eigenständige effiziente Erzeugung derartiger gasförmiger Brennstoffe unabhängig vom Stromnetz sinnvoll erscheint.
  • Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines Reaktors zur lichtinduzierten Produktion von gasförmigem Brennstoff bereitzustellen und ferner zugehörige Reaktoren und Anordnung zur lichtinduzierten Produktion von gasförmigem Brennstoff sowie bereitzustellen. Dies wird durch die Gegenstände der Hauptansprüche erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen können beispielsweise den jeweiligen Unteransprüchen entnommen werden. Der Inhalt der Ansprüche wird durch ausdrückliche Inbezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Reaktors zur lichtinduzierten Produktion von gasförmigem Brennstoff. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:
    • - Einbringen eines porösen Opfermaterials in eine Form,
    • - Einbringen eines Strukturmaterials in die Form, so dass das Opfermaterial ganz oder teilweise bedeckt ist,
    • - Einbringen eines Halbleitermaterials in das Strukturmaterial,
    • - Aushärten des Strukturmaterials, und dann
    • - Entfernen des Opfermaterials.
  • Mittels eines solchen Reaktors kann gasförmiger Brennstoff wie beispielsweise Wasserstoff oder Methan unmittelbar mithilfe von Sonnenlicht und einem oder mehreren Edukten hergestellt werden. Beispielsweise kann Wasser lichtinduziert in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt werden, wobei beispielsweise der entstandene Wasserstoff abgetrennt und als gasförmiger Brennstoff verwendet werden kann. Aufgrund der Verwendung eines porösen Opfermaterials ist die Ausbildung einer dreidimensionalen Struktur möglich, welche im Vergleich zu zweidimensionalen dünnen Schichten eine erheblich bessere Ausnutzung der im Sonnenlicht vorhandenen Energie ermöglicht. Ohne einen verlustbehafteten Umweg über eine Stromerzeugung und die Verwendung von Strom zu gehen kann somit besonders effizient gasförmiger Brennstoff aus einem oder mehreren Edukten und der im Sonnenlicht enthaltenen Energie produziert werden.
  • Die Schritte des Verfahrens können insbesondere in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Es können jedoch auch andere Reihenfolgen gewählt werden.
  • Insbesondere kann mit dem Einbringen des porösen Opfermaterials begonnen werden.
  • Gemäß einer Ausführung wird anschließend das Strukturmaterial eingebracht und anschließend das Halbleitermaterial eingebracht. Es kann jedoch auch zunächst das Halbleitermaterial in das Strukturmaterial eingebracht werden, und diese Kombination aus Halbleitermaterial und Strukturmaterial anschließend in das Opfermaterial eingebracht werden. Auch das gleichzeitige Durchführen dieser Schritte ist möglich.
  • Das Strukturmaterial kann vor, nach und/oder während dem Entfernen des Opfermaterials ausgehärtet werden.
  • Unter einem Herstellen sei hierin insbesondere die Erzeugung eines Gegenstands wie eines Reaktors verstanden. Unter einer Produktion sei hierin demgegenüber insbesondere die Erzeugung eines gasförmigen Brennstoffs verstanden. Diese Unterscheidung dient lediglich der begrifflichen Klarheit.
  • Gasförmiger Brennstoff kann insbesondere Wasserstoff oder Methan sein. Diesen Brennstoffen wird voraussichtlich die größte Bedeutung bei der Umstellung von industriellen Prozessen oder anderen energieverbrauchenden Einheiten auf eine klimaneutrale Betriebsweise zukommen. Grundsätzlich ist jedoch mithilfe des Reaktors je nach Ausbildung auch die Produktion von anderen gasförmigen Brennstoffen, beispielsweise anderen Kohlenwasserstoffen, möglich. Auch kann beispielsweise der gasförmige Brennstoff eine Mischung sein, beispielsweise eine beim Zersetzen von Wasser entstehende Mischung von Wasserstoff und Sauerstoff, welche auch als Knallgas bezeichnet wird.
  • Bei dem Opfermaterial handelt es sich insbesondere um ein Material, welches im Laufe des Verfahrens zwar verwendet, jedoch vor Verwendung des Reaktors zur lichtinduzierten Produktion von gasförmigem Brennstoff zumindest weit überwiegend wieder entfernt wird. Das Opfermaterial wird insbesondere verwendet, um das Strukturmaterial in eine definierte Form zu bringen. Da das Opfermaterial porös ist, wird insbesondere dafür gesorgt, dass auch das Strukturmaterial nach dem Aushärten porös ist, was zumindest für einen Bereich oder Teil des Strukturmaterials gilt. Darunter kann insbesondere verstanden werden, dass sich in dem Strukturmaterial Kanäle befinden, welche typischerweise miteinander verbunden und/oder verzweigt sind, so dass sich beispielsweise eine Flüssigkeit durch das Strukturmaterial dreidimensional bewegen kann. Die Form gibt typischerweise eine zumindest grobe Ausdehnung des herzustellenden Reaktors vor. Die Form kann beispielsweise zumindest in etwa als Schale ausgebildet sein, welche unten und seitlich umschlossen ist, nach oben jedoch offen ist. Auch andere Ausführungen sind möglich. Das Opfermaterial kann in eine solche Form eingebracht werden, so dass es nach dem Einbringen an seinem Platz verbleibt.
  • Das Strukturmaterial ist typischerweise dasjenige Material, welches nach der Ausführung des Verfahrens zumindest im Wesentlichen die Struktur des hergestellten Reaktors vorgibt. Insbesondere wird durch das Strukturmaterial eine innere Oberfläche definiert, an welcher chemische, insbesondere elektrochemische, Prozesse zur Reaktion von einem oder mehreren Edukten im gasförmigen Brennstoff erfolgen können. Diese innere Oberfläche ist aufgrund der porösen Struktur typischerweise dreidimensional, so dass im Vergleich zu schichtförmigen Ausführungen eine erheblich größere Oberfläche im Reaktor und damit auch eine wesentlich bessere Ausnutzung des auf den Reaktor scheinenden Lichts erreicht wird. Wenn das Strukturmaterial in die Form eingebracht wird, befindet sich das Opfermaterial bereits in der Form. Das Strukturmaterial nimmt also im Wesentlichen diejenigen Bereiche innerhalb der Form ein, welche nicht von dem Opfermaterial ausgefüllt sind. Das Opfermaterial wirkt dabei beispielsweise als verlorene Form. Da das Opfermaterial porös ist, ergibt sich auch für das Strukturmaterial eine poröse Struktur. Vorzugsweise ist das Strukturmaterial ganz oder zumindest teilweise lichtdurchlässig, insbesondere im sichtbaren Spektralbereich und/oder im ultravioletten Spektralbereich. Dies kann insbesondere spätestens nach dem Aushärten, kann jedoch auch schon früher der Fall sein.
  • Das Halbleitermaterial wird in das Strukturmaterial typischerweise derart eingebracht, dass es die bereits erwähnte innere Oberfläche des Strukturmaterials oder zumindest einen Teil oder einen erheblichen Teil davon bedeckt. Das Halbleitermaterial hat somit eine große reaktive Oberfläche, an welcher chemische Prozesse stattfinden können, so dass eine besonders gute Ausnutzung des auf den Reaktor einstrahlenden Sonnenlichts erreicht wird. Dementsprechend kann statt eines Einbringens des Strukturmaterials auch von einem Aufbringen gesprochen werden. In einer anderen Formulierung kann das Einbringen des Strukturmaterials ein Aufbringen beinhalten.
  • Vor dem Aushärten ist das Strukturmaterial typischerweise flüssig oder zumindest im Wesentlichen flüssig, insbesondere bei Raumtemperatur, also bei einer Temperatur von etwa 20° C. Insbesondere kann es fließfähig sein, so dass es in die Form eingebracht werden kann und sich dort im Wesentlichen selbsttätig verteilt. Eine Unterstützung, beispielsweise mit Ultraschall, ist möglich. Insbesondere kann sich das Strukturmaterial in Freiräumen verteilen, welche vom Opfermaterial aufgrund seiner porösen Struktur gelassen werden. Typischerweise genügt hierfür ein durch die Schwerkraft ausgeübter Druck und/oder es erfolgt eine Unterstützung durch Ultraschall. Beim Aushärten geht das Strukturmaterial in eine Zustandsform über, in welcher es nicht mehr fließfähig ist. Dies kann bedeuten, dass das Strukturmaterial dabei eine harte Zustandsform einnimmt, welche ein zerstörungsfreies Biegen oder Komprimieren des Strukturmaterials nicht mehr erlaubt. Es kann jedoch auch bedeuten, dass das Strukturmaterial in eine Zustandsform aushärtet, in welcher es weich ist oder zumindest eine gewisse Weichheit hat, so dass beispielsweise das Strukturmaterial unter Anwendung von Druck gebogen und/oder komprimiert werden kann. Dies ist typischerweise kein Nachteil für die Funktionsfähigkeit eines Reaktors. Beim Aushärten kann insbesondere eine chemische Reaktion und/oder eine physikalische Umwandlung im Strukturmaterial stattfinden, so dass insbesondere das Strukturmaterial hinterher bei Raumtemperatur eine höhere Festigkeit und/oder Steifigkeit hat.
  • Beim Entfernen des Opfermaterials wird das Opfermaterial typischerweise ganz oder teilweise entfernt, so dass in dem Strukturmaterial Hohlräume verbleiben, welche eine poröse Struktur des Strukturmaterials definieren. Diese Hohlräume dienen bei der Verwendung des Reaktors zur lichtinduzierten Produktion von gasförmigem Brennstoff typischerweise dazu, ein Edukt oder mehrere Edukte durchzuleiten und bei Kontakt mit dem Halbleitermaterial oder anderen Materialien gasförmigen Brennstoff zu erzeugen.
  • Das Halbleitermaterial hat typischerweise eine Bandlücke, welche es erlaubt, dass durch Lichteinstrahlung Elektron-Loch-Paare entstehen. Dies kann unmittelbar im Halbleitermaterial erfolgen, oder es kann durch die Verwendung von zusätzlichen Materialien, beispielsweise der weiter unten erwähnten Unterstützungsmaterialien wie beispielsweise Katalysatoren, erfolgen. Beispielsweise kann Gold verwendet werden, um besonders effizient lichtinduziert Elektron-Loch-Paare zu erzeugen. Die erzeugten Elektronen und Löcher können dann an umgebende Atome, Moleküle und/oder Ionen abgegeben werden, um diese beispielsweise in einen stabileren Zustand zu überführen.
  • Es ist beispielsweise bekannt, dass Wasser (H2O) einer Autodissoziation unterliegt, d.h. sich selbsttätig in Ionen zerlegt und anschließend unmittelbar wieder zu Wassermolekülen rekombiniert. Diese Rekombination kann durch das Vorhandensein von Elektronen und Löchern im Halbleitermaterial unterbunden werden, so dass andere stabile Produkte wie Wasserstoffmoleküle und Sauerstoffmoleküle entstehen. Ein ähnlicher Vorgang kann auch zur Erzeugung anderer gasförmiger Brennstoffe verwendet werden.
  • Der Reaktor kann insbesondere als in sich stabile Einheit hergestellt werden. Dies kann insbesondere bedeuten, dass der Reaktor nach Beendigung des Herstellungsverfahrens eine interne Stabilität aufweist, so dass die einzelnen Bestandteile bei normaler Verwendung und/oder Transport nicht mehr desintegrieren. Die bereits weiter oben erwähnte mögliche Biegbarkeit oder Komprimierbarkeit steht dem nicht entgegen. Der Reaktor kann damit an einen Einsatzort verbracht werden und dort verwendet werden, ohne dass spezielle Maßnahmen zur Sicherstellung der Integrität des Reaktors nötig sind.
  • Beispielsweise kann die Stabilität durch das Strukturmaterial erreicht werden, wobei wie bereits erwähnt eine Biegbarkeit oder Komprimierbarkeit verbleiben kann. Die Stabilität kann auch durch die Form erreicht werden, welche in zumindest einer Ausführung ganz oder teilweise im fertigen Reaktor verbleiben kann. Alternativ kann sie auch entfernt werden.
  • Das ausgehärtete Strukturmaterial kann insbesondere den Reaktor als eigenständig handhabbare Einheit stabilisieren. Dies kann insbesondere bedeuten, dass das ausgehärtete Strukturmaterial einen wesentlichen Teil des Reaktors darstellt und dafür sorgt, dass der Reaktor sich nicht eigenständig in seine Bestandteile zerlegt sowie durch Greifen des Strukturmaterials oder einer anderen Komponente gehalten und/oder transportiert werden kann. Der Reaktor kann somit an seinen Einsatzort verbracht werden und/oder kann an seinem Einsatzort so gehalten werden, dass er seinen beabsichtigten Zweck erfüllt.
  • Gemäß einer Ausführung wird der Reaktor von ausgehärtetem Strukturmaterial und/oder einem anderen festen oder flexiblen Material außenseitig begrenzt. Eine Begrenzung durch ausgehärtetes Strukturmaterial kann insbesondere an denjenigen Stellen erfolgen, an welchen die weiter oben bereits erwähnte Form entfernt wurde oder auch von Anfang an gar nicht vorhanden war. Die Form kann auch ganz oder teilweise am Reaktor belassen werden, so dass sie ein Material ausbilden kann, welches den Reaktor zumindest teilweise außenseitig begrenzt. Die Form ist typischerweise fest. Alternativ kann grundsätzlich auch ein flexibles Material für die Form verwendet werden.
  • Gemäß einer Ausführung weist das Verfahren ferner folgenden Schritt auf:
    • - Anwenden von Ultraschall auf das Strukturmaterial nach dem Einbringen des Strukturmaterials in die Form und vor dem Aushärten des Strukturmaterials.
  • Insbesondere kann das Anwenden des Ultraschalls vor dem Einbringen des Halbleitermaterials und/oder nach dem Einbringen des Halbleitermaterials erfolgen. Durch die Anwendung von Ultraschall wird die Verteilung des Strukturmaterials in dem Opfermaterial noch weiter verbessert. Dadurch kann der Vorgang beschleunigt werden, was eine schnellere Herstellung des Reaktors ermöglicht. Außerdem kann je nach Strukturmaterial und Opfermaterial erreicht werden, dass das Strukturmaterial die vom Opfermaterial aufgrund seiner Porosität gelassenen Hohlräume noch besser ausfüllt.
  • Der Ultraschall kann beispielsweise für mindestens 5 Minuten und/oder für höchstens 15 Minuten angewandt werden.
  • Gemäß einer Ausführung weist das Verfahren ferner folgende Schritte auf:
    • - Einbringen von einem oder mehreren Platzhaltern in die Form vor dem Einbringen des Strukturmaterials, wobei sich der oder die Platzhalter bis zum Opfermaterial erstrecken, und
    • - Entfernen des Platzhalters oder der Platzhalter nach dem Aushärten des Strukturmaterials.
  • Durch derartige Platzhalter kann das Strukturmaterial bewusst von gewissen Bereichen ferngehalten werden. Insbesondere kann der jeweilige Platzhalter einen Raum definieren, in welchem sich das Strukturmaterial nicht ausbreiten kann. Dadurch können beispielsweise Kanäle für Edukte und/oder Produkte erzeugt werden.
  • Insbesondere können der oder die Platzhalter einen oder mehrere fluidische Anschlüsse des Reaktors definieren.
  • Beispielsweise können ein erster Platzhalter und ein zweiter Platzhalter an zueinander entgegengesetzten Seiten des Opfermaterials und/oder der Form und/oder an zueinander entgegengesetzten vertikalen und/oder horizontalen Positionen eingebracht werden. Derartige Platzhalter können insbesondere dazu dienen, einen Anschluss zum Einleiten von Edukten und einen Anschluss zum Ableiten von Produkten und/oder nicht reagierten Edukten auszubilden. Auch mehr oder weniger Platzhalter können jedoch verwendet werden.
  • Das Opfermaterial kann insbesondere aus einem oder mehreren Kohlenhydraten, aus einem oder mehreren Zuckern, aus Glucose, aus Salz, aus Polymer und/oder als 3D-gedrucktes Objekt ausgebildet sein. Derartige Vorgehensweisen haben sich für typische Anwendungsformen als vorteilhaft herausgestellt. Beispielsweise kann bei Verwendung von Kohlenhydraten oder Zuckern eine körnerförmige Struktur des Opfermaterials verwendet werden, welches beispielsweise wie gewöhnlicher Haushaltszucker in die Form eingefüllt werden kann. Es kann auch Haushaltszucker oder eine andere Zuckerform, welche beispielsweise ähnlich handhabbar ist, als Opfermaterial verwendet werden. In ähnlicher Weise kann körnerförmiges Salz oder Polymer verwendet werden. Durch die Verwendung von 3D-Druck kann die Struktur des Opfermaterials, insbesondere die poröse Struktur, sehr genau vorgegeben werden, was eine Optimierung der Porenstruktur ermöglicht. Ein körnerförmiges Opfermaterial wird insbesondere als poröses Opfermaterial betrachtet.
  • Gemäß einer Ausführung weist das Opfermaterial eine Porengröße von mindestens 5 µm auf. Dies hat sich als vorteilhaft herausgestellt, um einen Durchfluss von Edukten und ein Ableiten von Produkten sicherzustellen. Beispielsweise kann auch mindestens 40 µm oder mindestens 50 µm als Porengröße verwendet werden, wobei beispielsweise Puderzuckerkristalle, welche als Opfermaterial verwendet werden können, eine typische Porengröße von etwa 50 µm haben. Vorteilhaft weist das Opfermaterial eine Porengröße von höchstens 1 mm, höchstens 5 mm oder höchstens 10 mm auf. Beispielsweise kann ein Bereich zwischen 5 mm und 10 mm verwendet werden. Dies entspricht einer Styroporkugelgröße. Die Verwendung der angegebenen Dimensionen stellt sicher, dass innerhalb der porösen Struktur des Strukturmaterials eine große interne Oberfläche entsteht, an welcher chemische Reaktionen stattfinden können. Die Ausnutzung von eingestrahltem Licht wird dadurch verbessert.
  • Das Opfermaterial kann ganz oder teilweise als Festkörper in die Form eingebracht werden. Beispielsweise kann es sich bei dem Opfermaterial um ein körnerförmiges Opfermaterial handeln, wobei die jeweiligen Körner als Festkörper ausgebildet sein können. Dies verleiht dem Opfermaterial vor dem Einbringen des Strukturmaterials eine feste Struktur, welche auch durch das Einbringen des Strukturmaterials nicht oder zumindest nicht wesentlich verändert wird. Der Festkörper kann insbesondere quaderförmig, würfelförmig, zylinderförmig, kugelförmig und/oder ellipsoid sein. Dies kann sich auf einzelne Körper des Opfermaterials wie auch auf die gesamte räumliche Struktur des Opfermaterials beziehen.
  • Insbesondere kann das Opfermaterial ganz oder teilweise als Pulver in die Form eingebracht werden. Dies erlaubt eine einfache Handhabbarkeit des Opfermaterials und eine automatische Ausbildung einer porösen Struktur. Bei einem solchen Pulver kann es sich beispielsweise um Haushaltszucker oder um ein Material mit ähnlicher Eigenschaft handeln. Insbesondere kann ein Opfermaterial verwendet werden, das in einer Substanz bzw. einer Chemikalie löslich ist, in welcher das Strukturmaterial nicht löslich ist. Beispielsweise kann Wasser eine solche Substanz sein.
  • Das Opfermaterial kann jedoch auch als Körper in die Form eingebracht werden. Beispielsweise kann es sich dabei um einen oder mehrere Stück Würfelzucker handeln.
  • Bevorzugt wird als Strukturmaterial ein im sichtbaren Spektrum und/oder im ultravioletten Spektrum vollständig oder zumindest teilweise lichtdurchlässiges Material verwendet. Dadurch kann sichergestellt werden, dass Sonnenlicht durch das Strukturmaterial durchdringen kann und an diejenigen Stellen gelangt, an welchen es chemische Reaktionen auslösen kann. Eine Absorption des Sonnenlichts im Strukturmaterial, welche lediglich zur Erhöhung der Temperatur ohne weiteren Nutzen führen würde, wird auf diese Weise möglichst weitgehend unterbunden.
  • Als Strukturmaterial kann insbesondere ein wasserunlösliches Material und/oder ein hydrophobes Material verwendet werden. Dies erlaubt das Durchleiten von Wasser als Edukt, ohne dass dies einen Einfluss auf das Strukturmaterial hat. Ein hydrophobes Material kann insbesondere dafür sorgen, dass das Wasser nicht in das Strukturmaterial aufgenommen wird und somit auch langfristig nicht zu einer chemischen Veränderung des Strukturmaterials führt.
  • Insbesondere kann als Strukturmaterial Polydimethylsiloxan verwendet werden. Dies hat sich als vorteilhaftes Strukturmaterial herausgestellt, welches insbesondere wasserunlöslich ist und sich zusammen mit einem geeigneten Opfermaterial wie beispielsweise Zucker im Rahmen des hierin beschriebenen Verfahrens leicht verwenden lässt. Grundsätzlich ist jedoch auch die Verwendung von anderen Strukturmaterialien möglich.
  • Das Strukturmaterial kann insbesondere flüssig und/oder partikelförmig in die Form eingebracht werden. Dies erlaubt eine ganz oder zumindest teilweise selbsttätige Verteilung des Strukturmaterials in der Form, insbesondere ein Eindringen in Poren, welche von dem Opfermaterial gelassen werden.
  • Das Aushärten des Strukturmaterials kann insbesondere durch Erhitzen erfolgen. Dies erlaubt ein einfaches und zuverlässiges Aushärten des Strukturmaterials.
  • Gemäß einer Ausführung wird die Form nach dem Aushärten des Strukturmaterials entfernt. Dies kann ein vollständiges oder auch teilweises Entfernen bedeuten. Wenn die Form für den fertigen Reaktor nicht mehr benötigt wird, kann dadurch Platz und Gewicht eingespart werden. Alternativ kann die Form jedoch auch im fertigen Reaktor gelassen werden, beispielsweise um eine äußere Struktur herzustellen und/oder die allgemeine Stabilität zu erhöhen.
  • Gemäß einer Ausführung weist das Verfahren ferner folgenden Schritt auf:
    • - Einbringen mindestens eines Unterstützungsmaterials in das Strukturmaterial.
  • Dadurch kann ein weiteres Material in den Reaktor eingebracht werden, welches insbesondere die erwünschten chemischen Reaktionen zur Produktion von gasförmigem Brennstoff unterstützen kann. Deshalb wird dieses als Unterstützungsmaterial bezeichnet. Typischerweise handelt es sich bei dem Unterstützungsmaterial um einen Katalysator und/oder um ein Material zur Zuführung zusätzlicher Energie und/oder Erhöhung der Effizienz. Beispielsweise kann es sich um ein Material handeln, an welchem erwünschte chemische Prozesse besser und/oder schneller ablaufen können als an dem Halbleitermaterial. Es kann sich auch um ein Material handeln, welches Licht absorbieren kann und dadurch Elektronen und/oder Löcher erzeugen kann, welche an das Halbleitermaterial abgegeben werden. Insbesondere ist das Unterstützungsmaterial vom Halbleitermaterial verschieden.
  • Das Unterstützungsmaterial kann zumindest teilweise das Halbleitermaterial kontaktieren. Insbesondere kann es sich hierbei um Partikel des Unterstützungsmaterials handeln, welche an dem Halbleitermaterial anhaften können. Das Halbleitermaterial kann dabei beispielsweise flächig oder auch abschnittsweise, beispielsweise zylindrisch oder partikelförmig in dem Strukturmaterial enthalten sein. Durch einen Kontakt zwischen Unterstützungsmaterial und Halbleitermaterial wird ein vorteilhafter Austausch von Elektronen und/oder Löchern ermöglicht.
  • Mindestens ein Unterstützungsmaterial kann beispielsweise ein Edelmetall, Gold, Silber, Platin, Aluminium, Cobalt, Iridium, Ruthenium, Cobaltoxid, Iridiumoxid, Rutheniumoxid, eine organische Cobaltverbindung, eine organische Rutheniumverbindung und/oder ein metallfreier Katalysator auf Basis von Bor, Kohlenstoff, Phosphor, Schwefel, Silizium, Siliziumdioxid, und/oder Selen und/oder ein Nichtmetalloxid und/oder als Kohlenstoff-Nanoröhrchen ausgebildet sein. Insbesondere kann vollflächiges Siliziumdioxid als Katalysator verwendet werden, welches beispielsweise Poren innenseitig vollständig abdecken kann. Derartige Unterstützungsmaterialien können in vorteilhafter Weise erwünschte chemische Prozesse zur Produktion von gasförmigem Brennstoff unterstützen. Es kann ein solches Unterstützungsmaterial verwendet werden, es können jedoch auch zwei, drei oder mehr solcher Unterstützungsmaterialien verwendet werden. Beliebige Kombinationen und Unterkombinationen aus den angegebenen Materialien und auch die Verwendung weiterer, nicht angegebener Materialien sind möglich.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführung werden genau zwei Unterstützungsmaterialien eingebracht werden. Es können auch mindestens zwei, also zwei oder mehr, unterschiedliche Unterstützungsmaterialien eingebracht werden. Als besonders vorteilhaft hat es sich für typische Fälle herausgestellt, wenn Gold und Platin als Unterstützungsmaterialien eingebracht werden. Gold kann dabei insbesondere Licht im sichtbaren Spektrum absorbieren und Elektron-Loch-Paare erzeugen, wobei insbesondere die dabei erzeugten Elektronen in das Leitungsband des Halbleitermaterials übergehen können. Platin kann in vorteilhafter Weise die Entstehung von Wasserstoffmolekülen aus Protonen und Elektronen aus dem Leitungsband katalysieren.
  • Ein, einige oder alle Unterstützungsmaterialien können beispielsweise als Nanopartikel eingebracht werden oder können als Nanopartikel gewachsen werden. Sie können auch allgemeiner ausgedrückt als Kristalle gewachsen werden. Das Wachsen kann auch im Strukturmaterial erfolgen. Auch können die Nanopartikel als Agglomerate vorliegen. Sie können beispielsweise durch Flame-Spray-Pyrolyse hergestellt werden.
  • Insbesondere können ein, einige oder alle Unterstützungsmaterialien im fertigen Reaktor eine Partikelgröße von mindestens 5 nm oder mindestens 10 nm und/oder von höchstens 250 nm oder von höchstens 300 nm oder von höchstens 500 nm aufweisen. Dies kann insbesondere eine geeignete große Oberfläche bereitstellen, an welcher chemische Prozesse stattfinden können. Höhere Partikelgrößen von beispielsweise 250 nm oder 300 nm entsprechen zumindest in etwa der Wellenlänge von UV-Licht, was dessen Absorption erleichtert.
  • Ein, einige oder alle Unterstützungsmaterialien können beispielsweise eingebracht werden, indem eine Lösung, welche das jeweilige Unterstützungsmaterial oder einen Ausgangsstoff des Unterstützungsmaterials enthält, vor dem Einbringen des Strukturmaterials in die Form eingebracht wird, so dass sie das Opfermaterial ganz oder teilweise bedeckt. Die Lösung ist somit bereits vorhanden, wenn das Strukturmaterial eingebracht wird, so dass das Unterstützungsmaterial in geeigneter Weise an einer inneren Oberfläche des Strukturmaterials angeordnet wird. Als Lösungsmittel der jeweiligen Lösung kann beispielsweise ein Alkohol verwendet werden. Insbesondere kann Ethylenglykol verwendet werden. Auch die Verwendung anderer Lösungsmittel ist möglich.
  • Gemäß einer Ausführung weist das Verfahren ferner folgenden Schritt auf:
    • - Erwärmen der jeweiligen Lösung, die das Unterstützungsmaterial oder einen Ausgangsstoff des Unterstützungsmaterials enthält, dabei vorteilhaft Einbringen des Unterstützungsmaterials oder des Ausgangsstoffs in das Opfermaterial und/oder Wachsen des Unterstützungsmaterials in dem Opfermaterial.
  • Durch das Erwärmen kann die Verteilung des Unterstützungsmaterials oder dessen Ausgangsstoffs im Opfermaterial verbessert werden. Zudem kann ein Wachstumsprozess gefördert werden, so dass beispielsweise Partikel des Unterstützungsmaterials entstehen. Hierzu können beispielsweise Temperaturen zwischen 20° C bzw. Raumtemperatur und 100° C verwendet werden. Insbesondere kann ein Temperaturbereich von mindestens 80° C und/oder höchstens 90° C verwendet werden.
  • Gemäß einer Ausführung weist das Verfahren ferner folgende Schritte vor dem Einbringen des Opfermaterials auf:
    • - Einbringen einer Schicht Strukturmaterial am Boden der Form, und
    • - Aushärten der Schicht Strukturmaterial.
  • Dadurch kann eine nicht poröse Lage Strukturmaterial am Boden erzeugt werden, welche im fertigen Reaktor beispielsweise eine Bodenplatte oder eine sonstige Bodeneinheit ausbilden kann. Dies kann dazu verwendet werden, um ein untenseitiges Ausdringen von eingebrachten Edukten oder hergestellten Produkten aus dem Reaktor zu verhindern. Das nachfolgend aufgebrachte Strukturmaterial, welches porös ausgebildet werden soll, verbindet sich dabei typischerweise beim Aushärten mit der vorher eingebrachten Schicht Strukturmaterial am Boden, so dass ein ganz oder zumindest weitgehend durchgängiger Block an Strukturmaterial entsteht.
  • Gemäß einer Ausführung weist das Verfahren ferner folgenden Schritt nach dem Aushärten des Strukturmaterials auf:
    • - Anbringen einer Deckschicht über dem ausgehärteten Strukturmaterial.
  • Dadurch kann beispielsweise ein Austreten von Edukten und/oder Produkten an der Oberseite des Reaktors verhindert werden. Die Deckschicht kann beispielsweise aus bereits ausgehärtetem Strukturmaterial ausgebildet sein. Dies erlaubt eine Verwendung des gleichen Materials und eine Verbindung der zu unterschiedlichen Zeitpunkten eingebrachten Teile des Strukturmaterials.
  • Gemäß einer Ausführung weist das Verfahren ferner folgende Schritte auf:
    • - Aufbringen von nicht ausgehärtetem Strukturmaterial zwischen dem ausgehärteten Strukturmaterial und der Deckschicht, und
    • - Aushärten des aufgebrachten Strukturmaterials.
  • Dadurch kann eine bereits außerhalb der Form bzw. unabhängig von den sonstigen Komponenten des Reaktors bereits ausgehärtete Deckschicht verwendet werden und in geeigneter Weise mit dem Rest des Strukturmaterials verbunden werden. Typischerweise schmelzen dabei angrenzende Bereiche von bereits ausgehärtetem Strukturmaterial so weit auf, dass nach dem Abkühlen eine stoffschlüssige Verbindung bzw. eine einheitliche durchgängige Ausbildung des Strukturmaterials entsteht.
  • Gemäß einer Ausführung weist das Verfahren ferner folgenden Schritt nach dem Aushärten des Strukturmaterials auf:
    • - Ausbilden eines Gasabführkanals obenseitig im Reaktor und/oder in einer Deckschicht.
  • Das Ausbilden in einer Deckschicht kann insbesondere dann durchgeführt werden, wenn eine solche Deckschicht vorhanden ist. Das Ausbilden des Gasabführkanals kann beispielsweise durch Bohren, spanende Formgebung oder Laserbearbeitung erfolgen. Der Gasabführkanal kann insbesondere dazu verwendet werden, entstandenen gasförmigen Brennstoff nach oben abzuführen. Da der gasförmige Brennstoff typischerweise leichter ist als verwendete flüssige Edukte und typischerweise auch leichter ist als Luft, steigt dieser typischerweise nach oben, so dass er durch den Gasabführkanal einfach abgeführt werden kann. Es können entsprechend auch mehrere Gasabführkanäle ausgebildet werden.
  • Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, einen oder mehrere Gasabführkanäle mittels Platzhalter auszubilden, wie andernorts hierin beschrieben.
  • Gemäß einer Ausführung weist das Verfahren ferner folgenden Schritt nach dem Entfernen des Opfermaterials auf:
    • - Durchspülen des Strukturmaterials.
  • Dies kann insbesondere mit deionisiertem Wasser erfolgen. Dadurch können eventuelle Reste von Opfermaterial oder sonstige noch im Reaktor enthaltene Verunreinigungen ausgespült werden.
  • Als Halbleitermaterial kann beispielsweise Titanoxid, Siliziumdioxid, Indiumoxid, Eisen(III)-Oxid, Wolframoxid, ein legiertes Oxid, ein Mischoxid, Strontiumtitanoxid und/oder Bismutvanadiumoxid verwendet werden. Auch eine Kombination derartiger Materialien ist möglich. Derartige Halbleitermaterialien haben sich für eine typische Anwendung, insbesondere für die Erzeugung von Wasserstoff oder Methan, als vorteilhaft erwiesen. Auch andere Materialien, beispielsweise nichtmetallische Materialien, können verwendet werden. Beliebige Kombinationen sind möglich.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist das Halbleitermaterial dotiert. Dadurch kann dessen Wirkung zur Unterstützung einer Produktion von gasförmigem Brennstoff verbessert werden. Als Dotiermaterialien können beispielsweise Phosphor, Arsen, Antimon, Bor, Aluminium, Gallium und/oder Indium verwendet werden.
  • Gemäß einer Ausführung weist das Einbringen des Halbleitermaterials folgende Schritte vor dem Einbringen des Strukturmaterials auf:
    • - Verbringen des Halbleitermaterials in die Form, und
    • - Verteilen des Halbleitermaterials in dem Opfermaterial.
  • Das Verteilen des Halbleitermaterials in dem Opfermaterial kann durch Eindiffusion erfolgen. Es kann beispielsweise durch Schütteln und/oder Klopfen unterstützt werden. Dies kann zu einer schnelleren Verfahrensführung führen.
  • Das Einbringen des Halbleitermaterials kann auch über entstandene Kanäle erfolgen. Diese können beliebiger Art sein, also beispielsweise als Verbindungen zwischen Poren und/oder als Kanäle, die durch spanende Bearbeitung oder Platzhalter erzeugt wurden.
  • Das Halbleitermaterial kann insbesondere pulverförmig und/oder flüssig in die Form verbracht werden. Dies erlaubt ein einfaches Einbringen. Das Halbleitermaterial kann insbesondere mit dem Opfermaterial verbunden werden, indem auf das Opfermaterial Dampf angewendet wird. Der Dampf führt insbesondere dazu, dass ein typisches Opfermaterial wie beispielsweise Zucker, aber auch andere Opfermaterialien, etwas klebrig werden und sich somit mit dem Halbleitermaterial verbinden. Das Halbleitermaterial verbindet sich später beim Einbringen des Strukturmaterials mit dem Strukturmaterial bzw. verbleibt zumindest teilweise an der sich ausbildenden inneren Oberfläche des Strukturmaterials. Durch die beschriebene Vorgehensweise kann ein einfaches und zuverlässiges Einbringen des Halbleitermaterials sichergestellt werden, so dass innerhalb des Strukturmaterials eine für die angedachte Funktion ausreichende oder ideale Menge an Halbleitermaterial zur Verfügung steht.
  • Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Halbleitermaterial erst dann eingebracht bzw. aufgenommen wird, wenn das Strukturmaterial bereits fertiggestellt wurde.
  • Das Halbleitermaterial kann insbesondere partikelförmig und/oder flüssig sein. Die Partikelgröße kann beispielsweise mindestens 10 nm, mindestens 50 nm, mindestens 75 nm oder mindestens 100 nm betragen. Die Partikelgröße kann auch höchstens 200 nm, höchstens 225 nm, höchstens 250 nm, höchstens 500 nm, höchstens 1 µm oder höchstens 5 µm betragen. Derartige Partikelgrößen liegen insbesondere in einer typischen Wellenlänge von sichtbarem Licht, was ein Einfangen von Photonen des sichtbaren Lichts oder von UV-Strahlung erleichtert. Derartige Photonen können typischerweise dazu führen, dass im Halbleitermaterial Elektron-Loch-Paare entstehen, welche für erwünschte chemische Prozesse zur Produktion von gasförmigem Brennstoff verwendet werden können.
  • Das Entfernen des Opfermaterials kann insbesondere durch Auflösen in einem Lösungsmittel erfolgen. Als Lösungsmittel zum Auflösen des Opfermaterials kann beispielsweise Wasser verwendet werden. Dies kann insbesondere dann verwendet werden, wenn ein wasserlösliches Opfermaterial verwendet wird. Beispielsweise eignet sich Wasser als Lösungsmittel zum Auflösen des Opfermaterials dann besonders gut, wenn als Opfermaterial Zucker oder ein anderes gut wasserlösliches Material verwendet wird. Grundsätzlich können jedoch auch andere Lösungsmittel verwendet werden, insbesondere kann ein Lösungsmittel verwendet werden, in welchem das verwendete Opfermaterial gut löslich ist.
  • Vorteilhaft weist das Verfahren ferner folgenden Schritt auf:
    • - Trocknen des Reaktors nach dem Aushärten des Strukturmaterials.
  • Das Trocknen kann beispielsweise durch Erwärmen bzw. Erhitzen erfolgen. Dadurch kann eventuell noch vorhandenes Wasser oder anderes Lösungsmittel aus dem Reaktor entfernt werden.
  • Der Reaktor kann insbesondere zur Produktion von Wasserstoff und/oder Methan ausgebildet sein. Wie eine solche Produktion erfolgen kann, wird an anderer Stelle hierin erläutert werden. Auch die Ausbildung zur Produktion anderer gasförmiger Brennstoffe ist jedoch möglich.
  • Gemäß einer Ausführung weist das Verfahren ferner folgenden Schritt, insbesondere nach dem Aushärten des Strukturmaterials, auf:
    • - Anbringen mindestens eines Spiegels derart, dass durch den Reaktor transmittiertes Licht ganz oder teilweise auf den Spiegel trifft und der Spiegel dieses Licht ganz oder teilweise zum Reaktor zurück reflektiert.
  • Ein solcher Spiegel kann beispielsweise unterhalb des Reaktors angeordnet werden. Sonnenlicht kann von oben auf den Reaktor scheinen und teilweise den Reaktor untenseitig wieder verlassen. Dann trifft es auf den Spiegel und wird ganz oder teilweise reflektiert. Dadurch trifft es erneut auf den Reaktor und kann somit nochmals zu lichtinduzierten Reaktionen führen. Der erwähnte Spiegel kann vollständig reflektierend sein. Er kann auch halbtransparent sein, insbesondere wenn ein Gebiet unter dem Reaktor bzw. unter dem Spiegel beleuchtet werden soll, beispielsweise um es landwirtschaftlich oder für den Aufenthalt von Menschen zu nutzen.
  • Gemäß einer Ausführung weist das Verfahren ferner folgenden Schritt, insbesondere nach dem Aushärten des Strukturmaterials, auf:
    • - Anbringen eines ersten Spiegels und eines zweiten Spiegels derart, dass der Reaktor sich zwischen den Spiegeln befindet,
    • - wobei vorzugsweise mindestens einer der Spiegel halbtransparent ist.
  • Durch eine solche Verfahrensführung werden zusätzliche Spiegel am Reaktor angebracht, welche dafür sorgen können, dass einfallendes Licht nicht nur einmal durch denjenigen Teil des Reaktors durchgeht, in welchem chemische Reaktionen stattfinden können. Vielmehr kann durch die Spiegel dafür gesorgt werden, dass das Licht mehrfach durch den relevanten Teil des Reaktors durchgeht, d.h. insbesondere durch denjenigen Teil des Reaktors, in welchem sich das Halbleitermaterial befindet. Durch eine halbtransparente Ausführung von einem der Spiegel kann sichergestellt werden, dass Sonnenlicht einfallen kann. Dieses geht typischerweise nach Durchgang durch den halbtransparenten Spiegel zunächst durch denjenigen Teil des Reaktors mit Halbleitermaterial durch, wird dann am anderen Spiegel reflektiert und geht zum halbtransparenten Spiegel zurück. Dort wird es zumindest teilweise wieder reflektiert und kann nochmals Energie abgeben. Dies wird letztlich so oft wiederholt, bis das Licht wieder austritt oder im Reaktor zur gewünschten Wirkung, nämlich der Produktion von gasförmigem Brennstoff, geführt hat oder auf sonstige Art absorbiert wird.
  • Es kann auch vorgesehen sein, dass beide Spiegel halbtransparent sind, so dass beispielsweise unterhalb des Reaktors ein Vorgang stattfinden kann, welcher ebenfalls Licht benötigt. Dies erlaubt beispielsweise die Anbringung des Reaktors über einem landwirtschaftlich genutzten Feld, wobei ein Teil des Sonnenlichts im Reaktor dazu verwendet wird, um gasförmigen Brennstoff zu produzieren, und ein anderer Teil des Sonnenlichts dazu verwendet wird, um auf dem landwirtschaftlich genutzten Feld Pflanzen wachsen zu lassen.
  • Es können auch mehr als die erwähnten ersten und zweiten Spiegel angebracht bzw. verwendet werden. Beispielsweise kann der Reaktor allseitig von Spiegeln umgeben werden. Dafür können beispielsweise insgesamt sechs Spiegel verwendet werden, insbesondere entsprechend den Seitenflächen eines Quaders. Jeder dieser Spiegel kann jeweils halbtransparent oder nichttransparent sein.
  • Dementsprechend kann das Verfahren, insbesondere nach dem Aushärten des Strukturmaterials, folgenden weiteren Schritt aufweisen:
    • - Anbringen von Spiegeln, welche den Reaktor teilweise oder vollständig umschließen.
  • Zumindest einer der Spiegel kann halbtransparent sein. Dies kann insbesondere der Fall sein, wenn die Spiegel den Reaktor vollständig umschließen. Dann kann durch den halbtransparenten Spiegel Licht einfallen und/oder austreten. Es können auch vollständig reflektierende Spiegel vorgesehen sein, welche den Reaktor an allen bis auf eine Seite umschließen, wobei letztgenannte Seite freibleiben kann. Über diese Seite kann Licht einfallen. Es kann sich dabei insbesondere um eine obere Seite handeln, welche beispielsweise so ausgerichtet sein kann, dass Sonnenlicht einfallen kann.
  • Halbtransparente Spiegel lassen typischerweise einen Teil des auftreffenden Lichts hindurch, den anderen Teil reflektieren sie. Dabei müssen die beiden Teile nicht zwingend jeweils die Hälfe des Lichts ausmachen. Wenn ein Spiegel nicht halbtransparent ist, ist er typsicherweise vollständig oder zumindest nahezu vollständig reflektierend.
  • Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Reaktor zur lichtinduzierten Produktion von gasförmigem Brennstoff, welcher mittels eines Verfahrens wie hierin beschrieben hergestellt wurde. Bezüglich des Verfahrens kann auf alle hierin beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden. Insbesondere können alle mit Bezug auf das Verfahren beschriebenen Merkmale zu entsprechenden strukturellen Merkmalen des hergestellten Reaktors führen. Diese können beliebig untereinander kombiniert werden. Auf die mit Bezug auf das Verfahren gegebene Beschreibung sei diesbezüglich verwiesen.
  • Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Reaktor zur lichtinduzierten Produktion von gasförmigem Brennstoff. Der Reaktor weist ein Strukturmaterial auf, in welchem ein poröser Bereich ausgebildet ist. Er weist ein Halbleitermaterial auf, welches in dem porösen Bereich angeordnet ist. Er weist einen Einlassanschluss zum Zuführen eines Edukts zum porösen Bereich auf. Er weist einen Gasabführkanal oder mehrere Gasabführkanäle zum Ableiten von gasförmigem Brennstoff aus dem porösen Bereich auf. Damit kann in bereits beschriebener Weise lichtinduziert gasförmiger Brennstoff hergestellt werden.
  • Der eben beschriebene Reaktor, oder allgemein ein Reaktor, kann insbesondere mittels eines Verfahrens wie hierin beschrieben hergestellt werden oder hergestellt worden sein. Auf alle beschriebenen Ausführungen und Varianten des Verfahrens kann zurückgegriffen werden. Insbesondere können alle mit Bezug auf das Verfahren beschriebenen Merkmale und Varianten, welche zu Merkmalen im Reaktor führen, auf den Reaktor entsprechend angewandt werden.
  • In dem porösen Bereich kann insbesondere ferner ein Unterstützungsmaterial angeordnet sein, welches beispielsweise mindestens eine Aktivierungsenergie verringert und/oder Licht einfängt und dabei freie Ladungsträger generiert. Dabei kann es sich beispielsweise um die bereits weiter oben beschriebenen Katalysatoren handeln. Diese können insbesondere derartige Eigenschaften aufweisen.
  • Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Anordnung zur lichtinduzierten Produktion von gasförmigem Brennstoff, nämlich Methan. Die Anordnung weist einen ersten Reaktor wie hierin beschrieben auf, wobei auf alle beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden kann. Die Anordnung weist eine Einrichtung zum Zuleiten von Wasser zum ersten Reaktor auf. Sie weist eine Trennvorrichtung zum Abtrennen von Wasserstoff auf, welche eingangsseitig mit einem Gasabführkanal des ersten Reaktors verbunden ist, wobei die Trennvorrichtung zumindest einen ersten Anschluss zum Ausgeben von Wasserstoff aufweist. Die Anordnung weist einen zweiten Reaktor wie hierin beschrieben auf, wobei auf alle beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden kann, wobei der zweite Reaktor eingangsseitig mit dem ersten Anschluss und mit einer Einrichtung zum Zuführen von Kohlendioxid verbunden ist.
  • Mittels einer solchen Anordnung kann in einfacher und zuverlässiger Weise Methan produziert werden. Auf die andernorts hierzu gegebenen Ausführungen sei verwiesen.
  • Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Anordnung zur lichtinduzierten Produktion von gasförmigem Brennstoff. Die Anordnung weist einen Reaktor wie hierin beschrieben auf, wobei auf alle beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden kann, und sie weist eine oder mehrere Stützen zum Halten des Reaktors über einem Boden auf.
  • Dies erlaubt eine vorteilhafte Freiflächenmontage, wobei große Flächen zur Produktion von gasförmigem Brennstoff verwendet werden können, ähnlich wie dies von Solarfeldern bekannt ist. Der Boden kann, muss aber nicht als Teil der Anordnung verstanden werden.
  • Die Anordnung kann gemäß einer Ausführung ferner einen ersten Spiegel aufweisen, welcher halbtransparent ist und den Reaktor zweckmäßig oberhalb ganz oder teilweise abdeckt, und/oder sie kann ferner einen zweiten Spiegel aufweisen, welcher den Reaktor zweckmäßig unterhalb ganz oder teilweise abdeckt. Dadurch kann das Licht mehrfach durch den Reaktor geleitet werden und die Ausbeute kann erhöht werden. Sofern nur der zweite Spiegel vorhanden ist, kann dieser auch einfach als Spiegel oder als erster Spiegel bezeichnet werden.
  • Der zweite Spiegel kann gemäß einer Ausführung halbtransparent sein. Dies ermöglicht ein gezieltes Durchleiten von Licht in einen Bereich unterhalb des Reaktors. Dadurch kann dieser Bereich beispielsweise für Pflanzenwachstum oder für den Aufenthalt von Personen genutzt werden. Auch die weiteren, andernorts hierin beschriebenen Ausführungen mit Spiegeln können entsprechend verwendet werden.
  • Der Boden kann Bestandteil der Anordnung sein. Insbesondere kann der Boden ein landwirtschaftlich nutzbarer Boden sein. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Acker oder ein Feld handeln oder um eine andere landwirtschaftliche Nutzfläche handeln. Auf diesem Boden können landwirtschaftliche Nutzpflanzen wie Getreide oder Gemüse wachsen. Insbesondere kann der Boden ganz oder zumindest teilweise oder überwiegend mit Erde bedeckt sein. Insbesondere kann der Reaktor so hoch über dem Boden angeordnet sein und/oder die Stützen können so hoch sein, dass ein Befahren mit landwirtschaftlichen Nutzfahrzeugen unter dem Reaktor möglich ist. Dies kann beispielsweise eine Höhe von mindestens 0,5 m, 1 m, 2 m, 3 m oder 5 m bedeuten. Insbesondere kann eine ausreichende Höhe für die Durchfahrt landwirtschaftlicher Maschinen vorgesehen sein.
  • Die Erfindung betrifft auch eine Verwendung eines Reaktors oder einer Anordnung wie hierin beschrieben über einer landwirtschaftlichen Nutzfläche. Auf alle beschriebenen Ausführungen und Varianten kann zurückgegriffen werden.
  • Die hierin beschriebenen Vorgehensweisen sind nicht auf die Aufspaltung von Wasser limitiert. Durch die Wahl geeigneter Materialien, beispielsweise Nanostrukturen, können sie auch für andere plasmonisch unterstützte chemische Prozesse oder für andere Prozesse verwendet werden. Beispielsweise ist eine Umwandlung von Wasserstoff unter Zugabe von Kohlendioxid in Methan möglich.
  • Die Porosität des Opfermaterials kann beispielsweise durch die Wahl des Opfermaterials beeinflusst werden. Beispielsweise können Zuckerwürfel, Salz, Puderzucker, Siliziumdioxid und/oder Polystyrolkugeln als Opfermaterial verwendet werden. Die Geometrie einer entstehenden schwammartigen Struktur, insbesondere im Strukturmaterial, kann durch eine Veränderung der Ausdehnung des Opfermaterials beispielsweise von wenigen Millimetern bis hin zu mehreren Metern oder auch noch größeren Anlagen variiert werden. Bei Strukturmaterial können typischerweise grundsätzlich jegliche Materialien wie beispielsweise transparente Polymere gewählt werden, die gussfähig sind und das gewählte Opfermaterial nicht lösen. Beispielsweise können PMMA oder Silikone verwendet werden. Plasmonische Materialien der Nanostrukturen können beispielsweise Gold, Silber, Platin und/oder Aluminium sein. Außerdem können photokatalytische Materialien wie beispielsweise Titanoxid und/oder Indiumoxid als Halbleitermaterialien verwendet werden. Auch andere Materialien sind möglich. Partikelgrößen können grundsätzlich variiert werden. Die Größe von plasmonischen Nanopartikeln kann insbesondere zwischen 10 nm und 200 nm liegen. Die Größe von photokatalytischen Partikeln kann insbesondere zwischen 10 nm und mehreren Mikrometern variieren.
  • Insbesondere kann der hierin beschriebene Reaktor als Flusszelle verstanden werden, in die Wasser in einem transparenten Polymerschwamm durch plasmonische Nanostrukturen unter Beleuchtung durch Sonnenlicht in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird. Der Reaktor kann jedoch auch anders ausgeführt sein oder er kann anders verwendet werden.
  • Spezielle plasmonische Nanoantennen (beispielsweise photokatalytische metallische Nanopartikel) können, wenn diese von Photonen angeregt werden, Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten. Sie dienen typischerweise als Moderator zwischen den Photonen des (Sonnen-)Lichts und den Wassermolekülen. Hierzu sollten sich die Wassermoleküle typischerweise in der Nähe der Nanostrukturen befinden. Je mehr Nanostrukturen in einem System an der Wasserspaltung beteiligt sind, desto höher ist die Ausbeute an Wasserstoff.
  • Hierin werden insbesondere transparente Polymerschwämme betrachtet, und zwar solche, welche mit plasmonischen Nanopartikeln strukturiert sind, die unter Einstrahlung von Sonnenlicht Wasser spalten. Hierbei kann die große Oberfläche und die dreidimensionale Ausdehnung des Schwamms bzw. der porösen Struktur ausgenutzt werden, insbesondere um möglichst viele Nanostrukturen in den Prozess der Wasserspaltung einzubinden. Insbesondere können Nanopartikel aus zwei Materialien, nämlich Gold und Titandioxid, auf die Oberfläche des Schwamms aufgebracht werden, da sich diese Materialkombination bei Versuchen der plasmonischen Wasserspaltung besonders bewährt hat. Auch andere Materialien oder Materialkombinationen können jedoch verwendet werden. Nanopartikel können beispielsweise als Agglomerate vorliegen. Sie können beispielsweise mittels Flame-Spray-Pyrolyse hergestellt werden.
  • Beispielsweise können Gold-Nanostrukturen aus einer Lösung (zum Beispiel Goldchlorid gelöst in Ethylenglykol) unter Einwirkung von Hitze auf der Oberfläche des Schwamms gewachsen werden. Der Schwamm wird in der Lösung getränkt und dann erhitzt. Die Größe der Nanostrukturen wird über die Temperatur und die Zeit definiert. Auch Titandioxidpartikel können aus einer Lösung oder Suspension auf die Schwämme aufgebracht werden. Diese Verfahren ermöglichen die Strukturierung von ansonsten schwer zugänglichen Bereichen in den Schwämmen. Dies ermöglicht eine vollständige Ausnutzung der vorhandenen Oberfläche. Außerdem handelt es sich um passive Prozesse, die typischerweise nur geringe Arbeitszeit erfordern. Zudem sind sie weitestgehend unabhängig von der Größe des Schwamms. Die Polymerschwämme können mittels eines Gussverfahrens hergestellt werden, welches von der Größe und Geometrie der Gussvorlage weitestgehend unabhängig ist. Als Gussform bzw. Opfermaterial können beispielsweise Zuckerwürfel verwendet werden. Daraus resultieren offene Schwämme, bei denen alle Poren miteinander verbunden sind. Zur Anwendung der strukturierten Schwämme können diese in Flusszellen integriert werden. Durch Kanäle wird Wasser dem Schwamm zu- und abgeführt. Gasförmiger Wasserstoff und Sauerstoff, die bei Beleuchtung der Nanostrukturen im Schwamm entstehen, steigen auf und werden über einen separaten Auslass oder mehrere separate Auslässe abgeführt. Beispielsweise können separate Auslässe für Wasserstoff und Sauerstoff vorgesehen sein.
  • Durch die hierin beschriebene Vorgehensweise wird insbesondere im Vergleich zu anderen Herangehensweisen an plasmonische Wasserspaltung eine hohe Skalierbarkeit und eine einfache und arbeitszeiteffiziente Herstellung von Reaktoren bzw. plasmonischen Schwämmen ermöglicht. Die im Vergleich zur Grundfläche große strukturierte Oberfläche der Schwämme ist ein Vorteil. Die sonst übliche Herstellung von Nanostrukturen mit lithografischen und/oder 3D-Druck-Methoden begrenzt die Anzahl der Nanostrukturen, die hergestellt werden können. Dies liegt insbesondere daran, dass Lithografie zeitaufwändig und teuer ist und flache Oberflächen benötigt, um effektiv zu funktionieren.
  • Ein weiterer Vorteil ist die Ausdehnung in drei Dimensionen. Hierdurch entsteht aus Sicht der einfallenden Photonen ein Vielschichtsystem. Dadurch wird die Interaktion der Photonen mit einer Nanostruktur wahrscheinlicher.
  • Gegenüber einer Elektrolyse, die mithilfe von Strom aus erneuerbaren Energien durchgeführt wird, hat die hierin beschriebene Vorgehensweise den Vorteil, dass Sonnenenergie direkt in Wasserstoff oder einen anderen gasförmigen Energieträger umgewandelt wird. Der Wirkungsgrad der Energieerzeugung aus Wind, Wasser oder Sonnenenergie wird dadurch eingespart. Gegenüber der Dampfreformierung oder Elektrolyse, die mit nicht erneuerbaren Energien durchgeführt wird, ist es insbesondere von Vorteil, dass kein fossiler Rohstoff verwendet wird und kein Kohlendioxid freigesetzt wird.
  • Nachfolgend werden weitere erfindungsgemäße Aspekte beschrieben. Diese beziehen sich insbesondere auf die Produktion von gasförmigem Brennstoff. Sie sind auch einzeln relevant, und können beliebig untereinander sowie mit anderen hierin beschriebenen Aspekten kombiniert werden. Insbesondere kann das beschriebene Verfahren zur lichtinduzierten Produktion von gasförmigem Brennstoff mit einem Reaktor durchgeführt werden, welcher wie hierin beschrieben hergestellt wurde und/oder ausgeführt ist.
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur lichtinduzierten Produktion von gasförmigem Brennstoff. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:
    • - Einleiten mindestens eines Edukts in einen Reaktor,
    • - Ableiten von im Reaktor entstandenem Gas, und
    • - Umsetzen des Gases in den gasförmigen Brennstoff;
    • - wobei der Reaktor ein vollständig oder teilweise poröses Strukturmaterial mit darin und/oder darauf befindlichem Halbleitermaterial aufweist.
  • Mittels eines solchen Verfahrens ist es möglich, direkt unter Verwendung von Licht, insbesondere Sonnenlicht, gasförmigen Brennstoff herzustellen. Hierzu wird ein Reaktor verwendet, auf welchen typischerweise das Licht scheint und in welchen mindestens ein Edukt geleitet wird. Aus diesem Edukt wird der gasförmige Brennstoff hergestellt. Ein Umweg dergestalt, dass zunächst Licht in Strom umgesetzt wird und mit diesem Strom dann ein gasförmiger Brennstoff erzeugt wird, wird auf diese Weise vermieden. Der Wirkungsgrad der Erzeugung von gasförmigem Brennstoff unter Verwendung der im Licht enthaltenen Energie wird damit deutlich verbessert.
  • Das Strukturmaterial kann gemäß einer Ausführung vollständig porös sein. Dies kann bedeuten, dass das Strukturmaterial vollständig von kleinen Kanälen und/oder Poren durchzogen ist. Das Strukturmaterial kann auch teilweise porös sein. Dies kann bedeuten, dass sich in dem Strukturmaterial ein poröser Bereich befindet, welcher von kleinen Kanälen und/oder Poren durchzogen ist. Dieser poröse Bereich kann insbesondere von einem nichtporösen Bereich umgeben sein, und zwar beispielsweise ganz oder teilweise.
  • Insbesondere kann das Strukturmaterial ganz oder teilweise lichtdurchlässig sein. Auf die andernorts hierin gegebene diesbezügliche Beschreibung sei verwiesen.
  • Bei dem Edukt kann es sich beispielsweise um Wasser handeln. Das Wasser kann im Reaktor gespalten werden, wodurch Wasserstoff und Sauerstoff entstehen. Wasserstoff oder auch die Kombination von Wasserstoff und Sauerstoff, welche auch als Knallgas bezeichnet wird, kann dann als gasförmiger Brennstoff verwendet werden. Auch andere Edukte sind jedoch möglich.
  • Bei dem Reaktor kann es sich beispielsweise um einen Reaktor wie hierin an anderer Stelle beschrieben handeln. Insbesondere kann der Reaktor mittels eines hierin beschriebenen Verfahrens hergestellt worden sein. Auf alle diesbezüglich beschriebenen Merkmale kann zurückgegriffen werden. Insbesondere können alle mit Bezug auf das Verfahren zum Herstellen eines Reaktors beschriebenen Merkmale strukturelle Merkmale des Reaktors bilden, welcher für das hierin beschriebene Verfahren zur lichtinduzierten Produktion von gasförmigem Brennstoff verwendet werden kann. Auch eine hierin beschriebene Anordnung kann verwendet werden, wobei ebenfalls auf alle beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden kann.
  • Bei einem Reaktor handelt es sich typischerweise um ein Bauelement, in welches mindestens ein Edukt eingeleitet wird und auf welches Licht scheint, wobei aus dem Edukt lichtinduziert mindestens ein Produkt, insbesondere gasförmiger Brennstoff, erzeugt wird. Dabei werden chemische Prozesse verwendet, welche unmittelbar durch das Licht angeregt werden. Es wird somit auf direktem Weg gasförmiger Brennstoff erzeugt.
  • Zur Gaserzeugung kann in dem Reaktor insbesondere eine chemische Reaktion oder eine Folge chemischer Reaktionen ablaufen. Insbesondere kann es sich um elektrochemische Reaktionen handeln. Diese können insbesondere durch das Halbleitermaterial ausgelöst oder verstärkt werden. Insbesondere können in dem Halbleitermaterial bei Lichteinstrahlung Elektron-Loch-Paare erzeugt werden, wobei die Elektronen und/oder die Löcher dann mit Ionen, welche aus dem Edukt entstehen, zu gasförmigem Brennstoff und/oder einem anderen Produkt rekombinieren.
  • Das Strukturmaterial kann insbesondere eine dreidimensionale poröse Struktur aufweisen. Dies kann insbesondere für einen porösen Bereich oder für das gesamte Strukturmaterial gelten. Eine solche Struktur ermöglicht es, dass Licht durch einen dreidimensional ausgedehnten Bereich des Reaktors durchgeht, in welchem chemische Reaktionen stattfinden können. Die poröse Struktur kann somit insbesondere in drei Dimensionen ausgebildet sein. Dadurch kann das Volumen, in welchem Licht seine gewünschte Wirkung erzielen kann, im Vergleich zu flachen Ausführungen mit geringer Schichtdicke deutlich erhöht werden. Die Nutzung der im Licht enthaltenen Energie kann auf diese Weise deutlich verbessert werden. Auf die andernorts gegebenen Ausführungen zu einer porösen Struktur sei verwiesen.
  • Das Strukturmaterial kann insbesondere eine schwammartige Struktur aufweisen, insbesondere eine offenporige schwammartige Struktur. Dies kann insbesondere für einen porösen Bereich oder für das gesamte Strukturmaterial gelten. Dies kann insbesondere bedeuten, dass in dem Strukturmaterial zahlreiche dreidimensionale Verbindungen kleiner Räume untereinander vorhanden sind, wobei überwiegend durchgängige kleine Zwischenräume im Strukturmaterial ausgebildet sind. Durch diese Zwischenräume kann typischerweise das Edukt von einer Seite des Strukturmaterials zur gegenüberliegenden Seite durchfließen, wobei zumindest ein Teil davon in ein Produkt umgesetzt wird.
  • Der Reaktor kann insbesondere ganz oder teilweise zwischen einem ersten Spiegel und einem zweiten Spiegel angeordnet sein. Mindestens einer der Spiegel ist typischerweise halbtransparent. Dadurch kann erreicht werden, dass Licht zunächst durch den halbtransparenten Spiegel in den Reaktor eindringen kann und seine gewünschte Wirkung entfalten kann, wobei es anschließend den Reaktor nicht ungenutzt verlässt, sondern vom anderen Spiegel reflektiert wird und nochmal den aktiven Bereich durchdringt. Durch nochmalige Reflexion am halbtransparenten Spiegel kann ein nochmaliger Durchlauf durch den relevanten Bereich des Reaktors erfolgen, wobei dieser Vorgang praktisch beliebig oft durchgeführt werden kann. Durch den halbtransparenten Spiegel wird sichergestellt, dass Licht zum Reaktor kommt. Der andere Spiegel kann insbesondere nicht transparent sein, so dass Licht vollständig reflektiert wird. Er kann jedoch auch halbtransparent sein, um einen Teil des Lichts durchzulassen. Dies kann beispielsweise verwendet werden, wenn der Reaktor über einer landwirtschaftlichen Nutzfläche positioniert ist, so dass ein Teil des Sonnenlichts zur Produktion von gasförmigem Brennstoff verwendet wird, der andere Teil des Sonnenlichts jedoch für das Wachstum landwirtschaftlicher Nutzpflanzen verwendet wird. Es kann vorgesehen sein, dass nur ein Teil der landwirtschaftlichen Nutzfläche von den Spiegeln und/oder Reaktoren bedeckt wird. Dadurch kann insbesondere sichergestellt werden, dass genügend Sonnenlicht und/oder Niederschlag auf die Nutzfläche gelangt. Auf die andernorts hierin gegebene Beschreibung bezüglich Spiegeln sei verwiesen. Insbesondere kann auch nur ein Spiegel verwendet werden, insbesondere unterhalb des Reaktors.
  • Es können auch Konzentratorspiegel oder Konzentratorelemente verwendet werden. Diese können Sonnenlicht auf einen Reaktor fokussieren. Sie können eine Lichtkonzentrationswirkung entfalten. Beispielsweise können auf einer Fläche mehrere Spiegel angeordnet sein, die auf einen zentral angeordneten Reaktor Sonnenlicht fokussieren. Ebenso können Spiegel verwendet werden, die rinnenförmig ausgebildet sind, wobei sich der Reaktor länglich erstecken kann, insbesondere im Brennpunkt bzw. einer Linie von Brennpunkten.
  • Der Reaktor kann insbesondere von Sonnenlicht und/oder fokussiertem Sonnenlicht beschienen werden. Sonnenlicht ist insbesondere dasjenige Licht, welches von der Sonne ausgesendet wird und bei Tag auf die Erdoberfläche trifft. Es muss sich dabei nicht zwingend um pralle Sonne handeln. Auch Licht, das beispielsweise Wolken durchdrungen hat, kann für das hierin beschriebene Verfahren verwendet werden. Zur Erzeugung von fokussiertem Sonnenlicht kann typischerweise eine spezielle Einrichtung zum Fokussieren verwendet werden. Diese kann beispielsweise eine oder mehrere Linsen und/oder einen oder mehrere Spiegel aufweisen. Dadurch kann Sonnenlicht von einer größeren Fläche eingesammelt werden und fokussiert zu einem Reaktor geleitet werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist der Reaktor ohne Glassubstrat ausgebildet. Dadurch kann auf die Verwendung eines Glassubstrats verzichtet werden. Insbesondere können Glassubstrate für Ausführungen von Einheiten zum Umwandeln von Edukten in Produkte verwendet werden, welche lediglich eine dünne Schichtdicke haben, also faktisch zweidimensional ausgebildet sind. Bei den hierin beschriebenen Ausführungen des Reaktors wird eine dreidimensionale Struktur verwendet, welche eine wesentlich bessere Ausbeute der im Licht enthaltenen Energie bietet.
  • Das Edukt kann insbesondere zumindest teilweise wieder aus dem Reaktor abgeleitet werden. Dabei handelt es sich um dasjenige Edukt, welches nicht zum Produkt, also insbesondere nicht zum gasförmigen Brennstoff und gegebenenfalls weiteren dabei entstehenden Gasen reagiert hat. Das Edukt kann anschließend beispielsweise wieder in den Reaktor geleitet werden, wodurch ein ganz oder zumindest teilweise geschlossener Kreislauf des Edukts erreicht werden kann.
  • Das Edukt kann insbesondere ganz oder teilweise flüssig sein. Dies erlaubt ein einfaches Durchleiten des Edukts durch den Reaktor. Das Edukt kann jedoch alternativ auch gasförmig sein oder eine gewisse Zähflüssigkeit aufweisen.
  • Insbesondere kann das Edukt Wasser sein oder Wasser enthalten. Wasser kann insbesondere zersetzt werden, wodurch Wasserstoff und/oder Sauerstoff entstehen. Diese Kombination wird auch als Knallgas bezeichnet. Das Wasser kann beispielsweise auch mit Zusätzen versehen sein, welche beispielsweise die chemische Reaktion verbessern und/oder Korrosion verhindern können.
  • Der gasförmige Brennstoff kann insbesondere Wasserstoff sein. Dieser kann beispielsweise durch Abtrennung aus einem Gemisch von Wasserstoff und Sauerstoff erhalten werden.
  • Gemäß einer Ausführung ist das Edukt ganz oder teilweise gasförmig. Beispielweise kann das Edukt Luft sein oder Luft enthalten. Dabei kann es sich um die typische Umgebungsluft handeln. Das Edukt kann auch eine Gasmischung aus Kohlendioxid und Wasserstoff sein, oder kann eine Gasmischung sein, die Kohlendioxid und Wasserstoff enthält. Durch die Verwendung von Kohlendioxid und Wasserstoff als Edukt kann insbesondere erreicht werden, dass eine lichtinduzierte Reaktion zur Herstellung von Methan führt. Dadurch kann insbesondere aus Wasserstoff sowie aus Kohlendioxid, welches entweder in durchgeleiteter Luft enthalten ist oder aus der Luft entnommen wurde, Methan hergestellt werden. Dies hat in Bezug auf den Klimaschutz den Vorteil, dass bei der Verbrennung des Methans lediglich eine Menge CO2 entsteht, welche vorher der Atmosphäre entzogen wurde. Die Verwendung des Methans ist trotz der Verbrennung eines Kohlenwasserstoffs somit klimaneutral.
  • Der gasförmige Brennstoff kann beispielsweise Methan, ein anderer Kohlenwasserstoff oder ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen sein. Derartige Kohlenwasserstoffe, beispielsweise Methan, können insbesondere aus der Luft entnommenem Kohlendioxid hergestellt werden, wie bereits erwähnt. Methan oder andere gasförmige Kohlenwasserstoffe können insbesondere verhältnismäßig leicht gelagert, transportiert und durch Verbrennung in Energie umgesetzt werden. Bei sauberer Verbrennung entstehen dabei kaum schädliche Abgase.
  • Das im Reaktor entstehende Gas kann eine Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff sein. Beim Umsetzen kann insbesondere Wasserstoff vom Sauerstoff separiert werden. Der Wasserstoff bildet dann insbesondere den gasförmigen Brennstoff. Der Sauerstoff kann ebenfalls verwendet werden, oder er kann in die Umgebung abgegeben werden. Beispielsweise können als Separationstechniken Swing Adsorption (Vakuum-Druckwechsel-Adsorption), metallbasierte semipermeable Membrane oder keramische semipermeable Membrane verwendet werden. Derartige Separationstechniken sind grundsätzlich im Stand der Technik bekannt.
  • Das im Reaktor entstehende Gas kann eine Mischung aus Sauerstoff mit Methan und/oder einem oder mehreren anderen Kohlenwasserstoffen sein. Beim Umsetzen kann Methan, ein anderer Kohlenwasserstoff und/oder mehrere andere Kohlenwasserstoffe oder ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen vom Sauerstoff separiert werden. Auch dabei können die bereits genannten Separationstechniken verwendet werden. Bei dem gasförmigen Brennstoff handelt es sich dann typischerweise um Methan oder um den Kohlenwasserstoff oder ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen.
  • Das Umsetzen kann jedoch auch bedeuten, dass im Reaktor entstandenes Gas unmittelbar, also ohne weitere Verfahrensschritte und/oder ohne Trennungsschritte, als gasförmiger Brennstoff verwendet wird. Dies kann insbesondere der Fall sein, wenn im Reaktor Knallgas entsteht, also eine Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff, welche unmittelbar beispielsweise zur Energieerzeugung verwendet werden kann. Es kann auch der Fall sein, wenn Methan entsteht, welches beispielsweise bereits eine Reinheit haben kann, die zur Verwendung ausreicht.
  • Es sei erwähnt, dass der entstandene gasförmige Brennstoff nicht zwingend als Energieträger verwendet werden muss. Er kann beispielsweise auch als Rohstoff verwendet werden, beispielsweise als Rohstoff für chemische Prozesse zur Herstellung von Produkten wie beispielsweise Kunststoffen.
  • Insbesondere kann der Reaktor eine in sich stabile Einheit bilden. Dies erlaubt eine einfache Handhabung. Auf die andernorts hierzu gegebenen Ausführungen sei verwiesen.
  • Das Strukturmaterial kann insbesondere eine Porengröße von mindestens 5 µm und/oder eine Porengröße von höchstens 1 mm aufweisen. Dies hat sich für typische Ausführungen bewährt, da Wasser gut durchfließen kann und eine große innere Oberfläche im Strukturmaterial entsteht, an welcher Reaktionen zur Produktion von gasförmigem Brennstoff stattfinden können. Andernorts hierin werden weitere typische oder bevorzugte Bereiche für die Porengröße angegeben, auf welche verwiesen sei.
  • Als Strukturmaterial kann insbesondere ein im sichtbaren Spektrum und/oder im ultravioletten Spektrum vollständig oder zumindest teilweise lichtdurchlässiges Material verwendet werden. Dies erlaubt eine vorteilhafte Transparenz gegenüber sichtbarem Licht und/oder ultravioletter Strahlung, wobei derartige Strahlung die hier relevanten Prozesse induzieren kann.
  • Als Strukturmaterial kann insbesondere Polydimethylsiloxan verwendet werden. Auch andere Materialien sind jedoch möglich.
  • In dem Strukturmaterial kann sich ferner mindestens ein Unterstützungsmaterial befinden. Auch mehrere Unterstützungsmaterialien können verwendet werden. Auf die andernorts hierin gegebene Beschreibung zu Unterstützungsmaterialien sei verwiesen.
  • Das Unterstützungsmaterial kann zumindest teilweise das Halbleitermaterial kontaktieren. Dadurch kann das Unterstützungsmaterial Elektronen und/oder Löcher mit dem Halbleitermaterial austauschen. Auf die andernorts gegebene Beschreibung sei verwiesen.
  • Insbesondere kann mindestens ein Unterstützungsmaterial ein Edelmetall, Gold, Silber, Platin, Aluminium, Cobalt, Iridium, Ruthenium, Cobaltoxid, Iridiumoxid, Rutheniumoxid, eine organische Cobaltverbindung, eine organische Rutheniumverbindung und/oder ein metallfreier Katalysator auf Basis von Bor, Kohlenstoff, Phosphor, Schwefel, Silizium und/oder Selen und/oder ein Nichtmetalloxid sein. Derartige Unterstützungsmaterialien haben sich für typische Anwendungen als vorteilhaft herausgestellt. Insbesondere können sie eine katalytische Wirkung haben. Beliebige Kombinationen können verwendet werden. Auch andere Unterstützungsmaterialien können alternativ oder zusätzlich verwendet werden.
  • In dem Reaktor können sich insbesondere genau zwei oder mindestens zwei unterschiedliche Unterstützungsmaterialien befinden. Insbesondere können Gold und Platin als Unterstützungsmaterialien verwendet werden. Ein, einige oder alle Unterstützungsmaterialien können insbesondere als Nanopartikel und/oder als Kristalle ausgebildet sein. Typischerweise sind Unterstützungsmaterialien wie beispielsweise Gold oder Platin innerhalb des Reaktors so angeordnet, dass sich einzelne Partikel zumindest überwiegend nicht berühren. Auch wenn derartige Unterstützungsmaterialien leitfähig sein können, wird somit typischerweise keine elektrische Leitfähigkeit des Reaktors erzeugt.
  • Ein, einige oder alle Unterstützungsmaterialien im Reaktor können insbesondere eine Partikelgröße von mindestens 1 nm, 5 nm oder mindestens 10 nm und/oder von höchstens 250 nm oder von höchstens 300 nm aufweisen.
  • Die andernorts hierin gegebene Beschreibung zu Unterstützungsmaterialien kann auf das beschriebene Verfahren zur Produktion von gasförmigem Brennstoff vollständig angewandt werden.
  • Als Halbleitermaterial kann beispielsweise Titandioxid, Siliziumdioxid, Indiumoxid, Eisen(III)-Oxid, Wolframoxid, ein legiertes Oxid, ein Mischoxid, Strontiumtitanoxid und/oder Bismutvanadiumoxid verwendet werden. Derartige Halbleitermaterialien haben sich für typische Anwendungen als vorteilhaft erwiesen. Auch andere können jedoch verwendet werden. Auch können beliebige Kombinationen verwendet werden. Das Halbleitermaterial kann insbesondere dotiert sein. Dadurch können die Eigenschaften des Halbleitermaterials optimiert werden. Beispielsweise kann zur Dotierung Phosphor, Arsen, Antimon, Bor, Aluminium, Gallium und/oder Indium verwendet werden.
  • Das Halbleitermaterial kann insbesondere partikelförmig sein. Es kann insbesondere eine Partikelgröße von mindestens 1 nm, mindestens 5 nm, mindestens 10 nm, mindestsens 50 nm, mindestens 75 nm oder mindestens 100 nm aufweisen. Es kann eine Partikelgröße von höchstens 200 nm, höchstens 225 nm, höchstens 250 nm, höchstens 500 nm, höchstens 1 µm oder höchstens 5 µm aufweisen. Derartige Partikelgrößen haben sich für typische Anwendungen als vorteilhaft herausgestellt. Auf die andernorts hierin gegebene Beschreibung sei verwiesen. Auch andere Partikelgrößen können jedoch verwendet werden.
  • Das im Reaktor entstandene Gas oder der gasförmige Brennstoff können insbesondere in einem weiteren Verfahren wie hierin beschrieben als Edukt verwendet werden. Somit kann das hierin beschriebene Verfahren zweimal hintereinander ausgeführt werden. Beispielsweise kann in einem ersten Reaktor ein Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff hergestellt werden. Der Sauerstoff kann abgetrennt und anderweitig verwendet werden. Der Wasserstoff kann als Edukt für einen zweiten Reaktor verwendet werden, worin wiederum ein Verfahren wie hierin beschrieben durchgeführt wird. Dabei wird zusätzlich Kohlendioxid zugeführt, welches der Luft entzogen wurde, oder es wird alternativ zusätzlich Luft zugeführt, welche typischerweise Kohlendioxid enthält. Im zweiten Reaktor reagiert der Wasserstoff mit dem Kohlendioxid, wodurch Methan entsteht. Insgesamt wird somit durch eine einfache Kopplung zweier Reaktoren eine Verfahrensführung ermöglicht, bei welcher aus Wasser und Kohlendioxid Methan hergestellt wird. Hierbei kann es sich insbesondere um klimaneutral hergestelltes Methan handeln, da Wasser als Edukt nicht klimaschädlich ist, Sonnenlicht als Energieträger verwendet wird und das später bei der Verbrennung von Methan entstehende Kohlendioxid vorher bereits der Atmosphäre entzogen wurde.
  • Insbesondere kann somit zunächst Wasserstoff als gasförmiger Brennstoff hergestellt werden, und der Wasserstoff kann zusammen mit Kohlendioxid oder Luft als Edukt im weiteren Verfahren verwendet werden. Dies erlaubt insgesamt einen vorteilhaften Vorgang zur Herstellung von Methan unter Verwendung von Sonnenlicht als Energiequelle.
  • Weitere Merkmale und Vorteile wird der Fachmann dem nachfolgend mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiel entnehmen. Dabei zeigen:
    • 1: eine Illustration plasmonischer Wasserspaltung,
    • 2: eine weitere Illustration plasmonischer Wasserspaltung,
    • 3: mehrere Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines Reaktors,
    • 4: einen Reaktor in einer Verwendungssituation,
    • 5: eine Anordnung zur Erzeugung von gasförmigem Brennstoff, und
    • 6: eine weitere Anordnung zur Erzeugung von gasförmigem Brennstoff.
  • Solare plasmonische Wasserspaltung wird als aussichtsreiche Quelle von grünem Wasserstoff angesehen. Dabei kann Sonnenlicht direkt in Wasserstoff umgesetzt werden, was eine kohlendioxidfreie und verlustarme Wasserstofferzeugung ermöglicht. Auch andere gasförmige Brennstoffe können entsprechend hergestellt werden.
  • Insbesondere kann bei der hierin beschriebenen Vorgehensweise ein transparentes und poröses Medium mit irregulärer Oberfläche entstehen. Die Oberfläche wird dann mit wasserspaltenden Nanostrukturen beschichtet, insbesondere mittels direkten Wachstums. Die gesamte Oberfläche wird somit gleichzeitig strukturiert. Es wird ein stochastisch geschichtetes System von Nanostrukturen erzeugt. Dies erhöht die Interaktionswahrscheinlichkeit von Photonen und plasmonischen Partikeln.
  • Unter plasmonischer Wasserspaltung kann insbesondere ein Vorgang verstanden werden, in welchem optische Eigenschaften von Materialien auf der Nanometerskala verwendet werden, um das Spalten von Wassermolekülen in H+-Ionen und O--Ionen zu unterstützen. Die Energieschwelle für eine solche Spaltung liegt bei 1,23 eV. Licht mit einer Wellenlänge von 1.000 nm und darunter hat genügend Energie, um Wasserspaltung durchzuführen. Jedoch ist auch eine Weiterreaktion von Ionen zu Molekülen, insbesondere zu Wasserstoff- und Sauerstoffmolekülen, zu erreichen. Deshalb werden sowohl Elektronen wie auch Löcher und Energie benötigt. Löcher nehmen an der Weiterreaktion von Sauerstoff teil, d.h. die Bildung von O2-Molekülen aus O--Ionen. Elektronen sorgen dafür, dass sich aus H+-Ionen H2-Moleküle bilden. Die Bildung von Gas tritt insbesondere an katalytischen Stellen an Grenzflächen zwischen beispielsweise einem Halbleitermaterial und Wasser auf. Die Energie des Valenzbands des Halbleitermaterials soll insbesondere kleiner sein als die Energie, welche für die Weiterreaktion zu Sauerstoffgas benötigt wird. Das Leitungsband soll insbesondere höher sein als die Energie, welche zur Weiterreaktion zu Wasserstoffgas benötigt wird. Titanoxid erfüllt beispielsweise diese Kriterien. Durch eine Dotierung des Titanoxids kann die Effizienz weiter erhöht werden. Die Exzitonenerzeugung in Halbleitern mit großen Bandlücken erfordert typischerweise Energie aus dem ultravioletten Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Sonnenlicht hat seine Energie typischerweise nur zu etwa 5 % im relevanten Spektrum. Um die Effizienz zu erhöhen, können plasmonische Nanopartikel verwendet werden.
  • Plasmonische Nanopartikel sind insbesondere Metallpartikel mit Abmessungen, welche kleiner sind als die Wellenlänge von sichtbarem Licht. Die Eintrittstiefe von sichtbarem Licht ist in Metallen groß im Vergleich zu der Größe der Partikel. Deshalb kann ein freies Elektronengas in eine kollektive Schwingung versetzt werden, indem einfallendes Licht absorbiert wird. Ein Effekt der kollektiven Schwingung ist eine periodisch auftretende Elektron- und Loch-Ansammlung an der Oberfläche der als Nanoantennen wirkenden Partikel. Dies führt zu einem erhöhten Nahfeld in der Nähe der Partikel und zu der Erzeugung von heißen Ladungsträgern, welche dazu in der Lage sind, die Metallpartikel zu verlassen.
  • Ein Nanoantennen-Halbleiter-System kann einen Heteroübergang mit einer Schottky-Barriere dazwischen ausbilden. Wenn die heißen Ladungsträger eine ausreichende Energie haben, können sie hindurchtreten und gelangen in das Leitungsband des Halbleitermaterials. Die Schottky-Barriere kann vorteilhaft ein Zurückwandern verhindern. Im Fall von Gold und Titanoxid liegt die Schottky-Barriere bei 0,23 eV, was hoch genug ist, um eine Reemission weitgehend zu verhindern. Die heißen Ladungsträger, welche in den Goldnanopartikeln erzeugt wurden, haben typischerweise eine Energie von 1 bis 2 eV. Sie werden an das Leitungsband des Halbleitermaterials weitergeleitet.
  • Ein mögliches System zur plasmonischen Wasserspaltung ist in 1 gezeigt. Dabei ist ein Halbleitermaterial 200 gezeigt, welches vorliegend eine Partikelform hat und aus Titanoxid (TiO2) ausgebildet ist. Darin wird ultraviolettes Licht hµ (UV) absorbiert, was zur Anregung von Elektronen vom Valenzband VB zum Leitungsband LB führt. Dadurch entstehen Elektron-Loch-Paare.
  • Zudem befindet sich neben dem Halbleitermaterial 200 ein Unterstützungsmaterial 210 in Form eines Gold-Nanopartikels. Darin wird sichtbares und infrarotes Licht hµ (Vis-NIR) absorbiert, was ebenfalls zur Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren führt. Die Elektronen gelangen in das Leitungsband LB des Halbleitermaterials 200, und zwar über die bereits weiter oben erwähnte Schottky-Barriere.
  • Am Halbleitermaterial 200 findet eine elektrochemische Reaktion von H+-Ionen in Wasserstoffmoleküle (H2) unter Aufnahme von jeweils zwei Elektronen aus dem Leitungsband LB statt. Dadurch wird Wasserstoff erzeugt. Ebenso findet an dem Unterstützungsmaterial 210 eine elektrochemische Reaktion von Wassermolekülen (H2O) in Sauerstoffmoleküle (O2) statt, wobei H+-Ionen frei werden. Zum Ladungsausgleich werden die Löcher im Unterstützungsmaterial 210 verwendet.
  • Der Vorgang kann noch weiter unterstützt werden. Dies ist in 2 dargestellt. Dabei findet sich zusätzlich ein weiteres Unterstützungsmaterial 212 in Form einer Cobaltorganischen Verbindung (Co-OEC). Es hat sich gezeigt, dass daran die Erzeugung von Sauerstoff aus Wasser leichter abläuft. Des Weiteren findet sich noch ein weiteres Unterstützungsmaterial 214 in Form eines Platin-Nanopartikels, welches sich als vorteilhaft für die Kombination von H+-Ionen zu Wasserstoff unter Einschluss der im Leitungsband LB vorhandenen Elektronen erwiesen hat. Die Effizienz der plasmonischen Wasserspaltung in Wasserstoff und Sauerstoff kann dadurch noch weiter erhöht werden.
  • 3 zeigt beispielhaft ein Verfahren zum Herstellen eines Reaktors.
  • In Schritt 1 wird dabei zunächst eine Form 300 bereitgestellt, in welcher eine erste Öffnung 302 und eine zweite Öffnung 304 ausgebildet sind. Die erste Öffnung 302 ist dabei wie gezeigt linksseitig und weiter unten angeordnet, wohingegen die zweite Öffnung 304 rechtsseitig und weiter oben angeordnet ist. In die Form 300 wird flüssiges Strukturmaterial 110 eingefüllt, und zwar nur so viel, dass eine untere Schicht gebildet wird. Diese wird ausgehärtet, beispielsweise durch die Anwendung von Wärme. Dadurch wird eine ausgehärtete Bodenschicht 116 erzeugt, wie in der Darstellung zu Schritt 2 zu sehen ist. Darauf wird ein Opfermaterial 310 gebracht, wobei als Opfermaterial 310 vorliegend ein quaderförmiges Stück Zucker verwendet wird. Auch andere Materialien können jedoch verwendet werden. In der hierin beschriebenen Ausführungsweise werden bereits an dieser Stelle Titandioxidpartikel eingebracht, welche ein Halbleitermaterial 200 darstellen. Hierzu werden Titandioxidpartikel über das Opfermaterial 310 gestreut und es wird für eine gewisse Zeit Dampf auf das Opfermaterial 310 angewendet. Dadurch wird der Zucker klebrig und die Titandioxidpartikel verteilen sich im Opfermaterial 310 und verbinden sich damit. Die Titandioxidpartikel können beispielsweise einen Durchmesser von 100 nm bis 200 nm haben, jedoch können auch andere Durchmesser verwendet werden.
  • Wie in Schritt 3 weiter zu sehen ist, werden durch die Öffnungen 302, 304 ein erster Platzhalter 320 und ein zweiter Platzhalter 325 eingeführt. Diese reichen von außerhalb der Form 300 bis zum Opfermaterial 310. Anschließend wird die Form 300 mit Strukturmaterial 110 gefüllt. Das Strukturmaterial 110 ist dabei noch in flüssiger Form. Es verteilt sich somit sowohl neben dem Opfermaterial 310 wie auch in Zwischenräumen, welche zwischen Partikeln des Opfermaterials 310 gelassen werden. Wie gezeigt wird dabei in der vorliegenden Ausführung das Opfermaterial 310 vollständig vom Strukturmaterial 110 bedeckt.
  • Anschließend wird in Schritt 4 Ultraschall auf das Strukturmaterial 110 angewendet. Dadurch verteilt sich das Strukturmaterial 110 besser und schneller in den Zwischenräumen des Opfermaterials 310.
  • Anschließend wird in Schritt 5 das Strukturmaterial 110 ausgehärtet, wodurch ein poröser Bereich 112 entsteht, in welchem sich noch das Opfermaterial 310 befindet, wobei ein ebenfalls entstehender nichtporöser Bereich 114 den porösen Bereich 112 umgibt. Die Platzhalter 320, 325 werden herausgenommen, so dass ein erster fluidischer Anschluss in Form eines Einlassanschlusses 120 und ein zweiter fluidischer Anschluss in Form eines Auslassanschlusses 125 entstehen. Diese dienen im später fertigen Reaktor 100 dem Zuleiten von Edukten und dem Ableiten von nicht reagierten Edukten.
  • Der Reaktor 100 ist hier bereits als Block 105 zu erkennen.
  • Anschließend wird in Schritt 6 die Form 300 entfernt und das Opfermaterial 310 wird in einem Wasserbad 330 entfernt. Der Zucker wird, anders ausgedrückt, ausgelöst. Dadurch verbleiben Hohlräume in dem porösen Bereich 112.
  • In Schritt 7 wird der Reaktor 100 anschließend getrocknet und es wird eine Deckschicht 118 aufgebracht. Durch Anwenden eines weiteren thermischen Aushärtungsschritts verbinden sich Bodenschicht 116, poröser Bereich 112, nichtporöser Bereich 114 und Deckschicht 118 zu einem einzigen Block 105 aus Strukturmaterial 110.
  • Anschließend wird eine Lösung eingebracht, welche gelöstes Gold enthält. Dies ist in Schritt 8 gezeigt. Insbesondere kann eine Lösung mit HAuCl4 verwendet werden. Eine solche Lösung kann erwärmt werden, so dass Gold ausfällt. Nach Einbringen der Lösung kann eine Aushärtung bzw. ein Ausfallen von Gold beispielsweise für 2,5 Stunden bei 80 °C erfolgen. Das Gold verbindet sich dadurch mit dem Halbleitermaterial 200 und wächst als Partikel zur Ausbildung eines Unterstützungsmaterials 210.
  • In Schritt 9 wird der poröse Bereich 112 mit Druckluft ausgeblasen, so dass er abschließend gesäubert wird. Des Weiteren wird durch Bohren ein Gasabführkanal 130 obenseitig im Reaktor 100 ausgebildet.
  • Als Strukturmaterial kann insbesondere Polydimethylsiloxan (PDMS) verwendet werden. Dies eignet sich besonders gut für die hier relevante Anwendung. Es ist hochgradig transparent im gesamten sichtbaren und Infrarotspektrum sowie im ultravioletten Spektrum. Es ist auch inert gegen die meisten organischen Lösungsmittel und ist nicht toxisch. Das Polydimethylsiloxan oder ein anderes Strukturmaterial 110 kann insbesondere mittels Ultraschall in das Opfermaterial 310 schneller und gleichmäßiger eingebracht werden. Beispielsweise kann für etwa 5 Minuten bis 15 Minuten ein Ultraschall angewandt werden. Ein Aushärten des Strukturmaterials 110 kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass für etwa 25 Minuten eine Temperatur von 120 °C angewendet wird. Beim Auswaschen des Opfermaterials 310 kann das Wasserbad 330 erwärmt werden, um ein besseres Auswaschen zu erreichen. Ein abschließendes Trocknen, beispielsweise nach einem Spülen mit deionisiertem Wasser, kann beispielsweise in einem Ofen bei 150 °C erfolgen. Die Oberfläche wird dadurch zugänglich.
  • Zum Beschichten der Oberfläche des porösen Strukturmaterials 110 mit Gold-Nanostrukturen kann beispielsweise eine Lösung von Goldchlorid (HAuCl2) in Ethylenglykol verwendet werden. Auch andere Lösungen und/oder Lösungsmittel sind jedoch möglich. Die Lösung wird dem porösen Medium hinzugefügt. Das poröse Medium wird mit der Lösung gefüllt und wird dann beispielsweise auf einer Wärmeplatte bei 80 °C ausgetrocknet, wobei es vorzugsweise bedeckt wird. Während den nächsten 2,5 Stunden tritt typischerweise eine Farbveränderung von weiß nach rot auf. Dies zeigt an, dass ein Wachstum von Goldnanopartikeln in Größen zwischen 10 nm und 200 nm stattfindet. Verbleibende Lösung von Goldchlorid wird dann typischerweise ausgespült, beispielsweise mit Wasser, insbesondere mit Reinstwasser oder deionisiertem Wasser.
  • Das Ausbilden von Platinnanostrukturen kann ebenso wie bei Gold erfolgen, jedoch kann beispielsweise eine Lösung von Platinchlorid (PtCl2/Pt2Cl4) verwendet werden. Als Lösungsmittel kann beispielsweise ebenfalls Ethylenglykol verwendet werden. Der Wachstumsvorgang ist typischerweise langsamer als bei Gold. Für die gleiche Temperatur und Zeit werden kleinere Partikel beobachtet.
  • Die weiter oben bereits erwähnte Form 300 kann insbesondere die spätere Ausdehnung des Reaktors 100 vorgeben.
  • Das Wasserbad 330 kann beispielsweise für einen Zeitraum von mindestens 30 Minuten und/oder höchstens 1,5 Stunden angewendet werden. Es hat sich gezeigt, dass in diesem Zeitraum ein ausreichendes Auswaschen des Opfermaterials 310 erfolgt.
  • 4 zeigt den Reaktor 100 mit weiteren Komponenten. Der Reaktor 100 ist wie gezeigt als Block 105 ausgebildet, in welchem sich der poröse Bereich 112 und der umgebende nichtporöse Bereich 114 des Strukturmaterials 110 befinden. Linksseitig unten ist ein Einlassanschluss 120 ausgebildet, an welchem eine Pumpe 122 zum Zuleiten von Wasser als Edukt angeschlossen ist. Die Pumpe 122 stelle somit eine Einrichtung zum Zuleiten von Wasser dar. Rechtsseitig oben ist der Auslassanschluss 125 ausgebildet, an welchem eine Rücklaufleitung 150 angeschlossen ist. Überschüssiges Wasser, welches nicht im Reaktor 100 reagiert hat, wird auf diese Weise über ein Ventil 156 zurück zum Einlassanschluss 120 geleitet. An der Rücklaufleitung 150 ist ein Wärmetauscher 160 zum Kühlen des rückgeführten Wassers angebracht. Eventuelles überschüssiges Wasser kann über ein Ventil 152 und einen Ablauf 154 abgeleitet werden.
  • Auf den Reaktor 100 scheint Licht 102. Dabei handelt es sich typischerweise um Sonnenlicht. Die bereits weiter oben erwähnten chemischen Prozesse finden dadurch statt, so dass sich ein Teil des durchgeleiteten Wassers in Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt. Das dabei entstehende Knallgas wird über den bereits erwähnten Gasabführkanal 130 obenseitig abgeleitet und einer Trennvorrichtung 140 zugeleitet. Diese kann beispielsweise auf der Basis von Membranen basieren. Die Trennvorrichtung 140 weist einen ersten Anschluss 142 und einen zweiten Anschluss 144 auf. Bei der vorliegenden Implementierung wird an dem ersten Anschluss 142 Wasserstoff abgeleitet und an dem zweiten Anschluss 144 wird Sauerstoff abgeleitet. Dadurch steht Wasserstoff in reiner Form als gasförmiger Brennstoff zur Verfügung.
  • 5 zeigt eine Anordnung 400 zum Herstellen von gasförmigem Brennstoff, wobei rein schematisch ein Reaktor 100 über einem Boden 410 gezeigt ist. Der Reaktor 100 wird von einer ersten Stütze 420 und einer zweiten Stütze 425 über dem Boden 410 gehalten. Der Reaktor 100 ist überwiegend zwischen zwei halbtransparenten Spiegeln, nämlich einem oberen halbtransparenten Spiegel 170 und einem unteren halbtransparenten Spiegel 175, angeordnet. Dies führt dazu, dass Sonnenlicht zunächst durch den oberen halbtransparenten Spiegel 170 hindurchtritt, durch den Reaktor 100 hindurchgeht und teilweise vom unteren halbtransparenten Spiegel 175 reflektiert wird. Ein Teil des Sonnenlichts führt somit zu den bereits erwähnten Prozessen im Reaktor 100 zur Erzeugung von gasförmigem Brennstoff. Ein Teil tritt jedoch auch bis zum Boden 410 und kann dort verwendet werden, um Pflanzenwachstum zu ermöglichen. Der Reaktor 100 kann somit großflächig über landwirtschaftlichen Nutzflächen verwendet werden, wobei sowohl Wasserstoff erzeugt wird als auch darunter landwirtschaftliche Nutzpflanzen wachsen können. Dies ermöglicht im Gegensatz zu bekannten Freiflächen-Solaranlagen, dass auf eine landwirtschaftliche Nutzung der Fläche nicht verzichtet werden muss.
  • 6 zeigt eine weitere Anordnung 500 zum Herstellen von gasförmigem Brennstoff, und zwar in diesem Fall zum Herstellen von Methan. Bezüglich des linken Teils davon, d.h. des Reaktors 100, sei auf die weiter oben bereits gegebene Beschreibung von 4 verwiesen. An dem ersten Anschluss 142 der Trennvorrichtung 140 ist eine Wasserstoffleitung 510 angeschlossen, welche den entstandenen Wasserstoff einem zweiten Reaktor 100a zuführt. An der Wasserstoffleitung 510 ist unmittelbar vor einem Einlassanschluss 120a des zweiten Reaktors 100a zusätzlich eine Kohlendioxidleitung 515 angeschlossen, welche Kohlendioxid dem Einlassanschluss 120a des zweiten Reaktors 100a zuführt und somit eine Einrichtung zum Zuführen von Kohlendioxid darstellt. Somit gelangt in den zweiten Reaktor 100a ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlendioxid.
  • Der zweite Reaktor 100a weist keinen Auslassanschluss auf. Stattdessen weist er lediglich einen obenseitigen Gasabführkanal 130a auf. Durch die beschriebene Zuführung der Edukte Wasserstoff und Kohlendioxid wird bei Lichteinfall im zweiten Reaktor 100a Methan erzeugt. Dieses Methan wird über den Gasabführkanal 130a obenseitig ausgegeben und kann als gasförmiger Brennstoff verwendet werden. Wird das verwendete Kohlendioxid vorher der Atmosphäre entzogen, ist das entstandene Methan klimaneutral, da bei dessen Verbrennung nur so viel Kohlendioxid entsteht, wie vorher der Atmosphäre entzogen wurde.
  • Insgesamt wird durch die hierin beschriebenen Vorgehensweisen eine sehr effiziente und kostengünstige Produktion von gasförmigem Brennstoff ermöglicht, wozu ein einfach herzustellender Reaktor verwendet werden kann. Im Gegensatz zu bekannten Vorgehensweisen kann auf den Umweg über erzeugten Strom verzichtet werden und es kann ein großflächiger Einsatz unter der Maßgabe erfolgen, dass zur Produktion von solarem Wasserstoff verwendete Flächen zusätzlich auch landwirtschaftlich genutzt werden können.
  • Erwähnte Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können in der angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Sie können jedoch auch in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden, soweit dies technisch sinnvoll ist. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer seiner Ausführungen, beispielsweise mit einer bestimmten Zusammenstellung von Schritten, in der Weise ausgeführt werden, dass keine weiteren Schritte ausgeführt werden. Es können jedoch grundsätzlich auch weitere Schritte ausgeführt werden, auch solche welche nicht erwähnt sind.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass in den Ansprüchen und in der Beschreibung Merkmale in Kombination beschrieben sein können, beispielsweise um das Verständnis zu erleichtern, obwohl diese auch separat voneinander verwendet werden können. Der Fachmann erkennt, dass solche Merkmale auch unabhängig voneinander mit anderen Merkmalen oder Merkmalskombinationen kombiniert werden können.
  • Rückbezüge in Unteransprüchen können bevorzugte Kombinationen der jeweiligen Merkmale kennzeichnen, schließen jedoch andere Merkmalskombinationen nicht aus.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Reaktor
    105
    Block
    110
    Strukturmaterial
    112
    poröser Bereich
    114
    nichtporöser Bereich
    116
    Bodenschicht
    118
    Deckschicht
    120
    Einlassanschluss
    122
    Pumpe
    125
    Auslassanschluss
    130
    Gasabführkanal
    140
    Trennvorrichtung
    142
    erster Anschluss
    144
    zweiter Anschluss
    150
    Rücklaufleitung
    152
    Ventil
    154
    Ablauf
    156
    Ventil
    160
    Wärmetauscher
    170
    Spiegel
    175
    Spiegel
    200
    Halbleitermaterial
    210
    Unterstützungsmaterial
    212
    Unterstützungsmaterial
    214
    Unterstützungsmaterial
    300
    Form
    302
    Öffnung
    304
    Öffnung
    310
    Opfermaterial
    320
    Platzhalter
    325
    Platzhalter
    330
    Wasserbad
    400
    Anordnung
    410
    Boden
    420
    Stütze
    425
    Stütze
    500
    Anordnung
    510
    Wasserstoffleitung
    515
    Kohlendioxidleitung

Claims (61)

  1. Verfahren zum Herstellen eines Reaktors (100) zur lichtinduzierten Produktion von gasförmigem Brennstoff, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: - Einbringen eines porösen Opfermaterials (310) in eine Form (300), - Einbringen eines Strukturmaterials (110) in die Form (300), so dass das Opfermaterial (310) ganz oder teilweise bedeckt ist, - Einbringen eines Halbleitermaterials (200) in das Strukturmaterial (110), - Aushärten des Strukturmaterials (110), und dann - Entfernen des Opfermaterials (310).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, - wobei der Reaktor (100) als in sich stabile Einheit hergestellt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei das ausgehärtete Strukturmaterial (110) den Reaktor (100) als eigenständig handhabbare Einheit stabilisiert.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei der Reaktor (100) von ausgehärtetem Strukturmaterial (110) und/oder einem anderen festen oder flexiblen Material außenseitig begrenzt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ferner folgenden Schritt aufweist: - Anwenden von Ultraschall auf das Strukturmaterial (110) nach dem Einbringen des Strukturmaterials (110) in die Form (300) und vor dem Aushärten des Strukturmaterials (110).
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ferner folgende Schritte aufweist: - Einbringen von einem oder mehreren Platzhaltern (320, 325) in die Form (300) vor dem Einbringen des Strukturmaterials (110), wobei sich der oder die Platzhalter (320, 325) bis zum Opfermaterial (310) erstrecken, und - Entfernen des Platzhalters (320, 325) oder der Platzhalter (320, 325) nach dem Aushärten des Strukturmaterials (110).
  7. Verfahren nach Anspruch 6, - wobei der oder die Platzhalter (320, 325) einen oder mehrere fluidische Anschlüsse (120, 125) des Reaktors (100) definieren.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, - wobei mindestens ein erster Platzhalter (320) und ein zweiter Platzhalter (325) an zueinander entgegengesetzten Seiten des Opfermaterials (310) und/oder der Form (300) und/oder an zueinander entgegengesetzten vertikalen und/oder horizontalen Positionen eingebracht werden.
  9. Verfahren nach einen der vorhergehenden Ansprüche, - wobei das Opfermaterial (310) aus einem oder mehreren Kohlenhydraten, aus einem oder mehreren Zuckern, aus Glucose, aus Salz, aus Polymer und/oder als 3D-gedrucktes Objekt ausgebildet ist.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei das Opfermaterial (310) eine Porengröße von mindestens 5 µm aufweist.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei das Opfermaterial (310) eine Porengröße von höchstens 1 mm aufweist.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei das Opfermaterial (310) ganz oder teilweise als Festkörper in die Form (300) eingebracht wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, - wobei der Festkörper quaderförmig, würfelförmig, kugelförmig oder ellipsoid ist.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei das Opfermaterial (310) ganz oder teilweise als Pulver in die Form (300) eingebracht wird.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei als Strukturmaterial (110) ein im sichtbaren Spektrum und/oder im ultravioletten Spektrum vollständig oder zumindest teilweise lichtdurchlässiges Material verwendet wird.
  16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei als Strukturmaterial (110) ein wasserunlösliches Material und/oder ein hydrophobes Material verwendet wird.
  17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei als Strukturmaterial (110) Polydimethylsiloxan verwendet wird.
  18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei das Strukturmaterial (110) flüssig in die Form (300) eingebracht wird.
  19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei das Aushärten des Strukturmaterials (110) durch Erhitzen erfolgt.
  20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ferner folgenden Schritt aufweist: - Entfernen der Form (300) nach dem Aushärten des Strukturmaterials (110).
  21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ferner folgenden Schritt aufweist: - Einbringen mindestens eines Unterstützungsmaterials (210, 212, 214) in das Strukturmaterial (110).
  22. Verfahren nach Anspruch 21, - wobei das Unterstützungsmaterial (210, 212, 214) zumindest teilweise das Halbleitermaterial (200) kontaktiert.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 oder 22, - wobei mindestens ein Unterstützungsmaterial (210, 212, 214) ein Edelmetall, Gold, Silber, Platin, Aluminium, Kobalt, Iridium, Ruthenium, Kobaltoxid, Iridiumoxid, Rutheniumoxid, eine organische Kobaltverbindung, eine organische Rutheniumverbindung und/oder ein metallfreier Katalysator auf Basis von Bor, Kohlenstoff, Phosphor, Schwefel, Silizium, Siliziumdioxid, und/oder Selen und/oder ein Nichtmetalloxid und/oder als Kohlenstoff-Nanoröhrchen ausgebildet ist.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, - wobei genau zwei oder mindestens zwei unterschiedliche Unterstützungsmaterialien (210, 212, 214) eingebracht werden.
  25. Verfahren nach einem der Ansprühe 21 bis 24, - wobei Gold und Platin als Unterstützungsmaterialien (210, 212, 214) eingebracht werden.
  26. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, - wobei ein, einige oder alle Unterstützungsmaterialien (210, 212, 214) als Nanopartikel eingebracht oder gewachsen werden.
  27. Verfahren nach Anspruch 26, - wobei ein, einige oder alle Unterstützungsmaterialien (210, 212, 214) im fertigen Reaktor (100) eine Partikelgröße von mindestens 5 nm oder mindestens 10 nm und/oder von höchstens 250 nm oder von höchstens 300 nm oder von höchstens 500 nm aufweist.
  28. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 27, - wobei ein, einige oder alle Unterstützungsmaterialien (210, 212, 214) eingebracht werden, indem eine Lösung, welche das jeweilige Unterstützungsmaterial (210, 212, 214) oder einen Ausgangsstoff des Unterstützungsmaterials (210, 212, 214) enthält, vor dem Einbringen des Strukturmaterials (110) in die Form (300) eingebracht wird, so dass sie das Opfermaterial (310) ganz oder teilweise bedeckt.
  29. Verfahren nach Anspruch 28, - wobei als Lösungsmittel der jeweiligen Lösung ein Alkohol, oder Ethylenglycol, verwendet wird.
  30. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 oder 29, welches ferner folgenden Schritt aufweist: - Erwärmen der jeweiligen Lösung, die das Unterstützungsmaterial (210, 212, 214) oder einen Ausgangsstoff des Unterstützungsmaterials (210, 212, 214) enthält, dabei Einbringen des Unterstützungsmaterials (210, 212, 214) oder des Ausgangsstoffs in das Opfermaterial (310) und/oder Wachsen des Unterstützungsmaterials (210, 212, 214) in dem Opfermaterial (310).
  31. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ferner folgende Schritte vor dem Einbringen des Opfermaterials (310) aufweist: - Einbringen einer Schicht Strukturmaterial (110) am Boden der Form (300), und - Aushärten der Schicht Strukturmaterial (110).
  32. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ferner folgenden Schritt nach dem Aushärten des Strukturmaterials (110) aufweist: - Anbringen einer Deckschicht (118) über dem ausgehärteten Strukturmaterial (110).
  33. Verfahren nach Anspruch 32, - wobei die Deckschicht (118) aus bereits ausgehärtetem Strukturmaterial (110) ausgebildet ist.
  34. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 oder 33, welches ferner folgende Schritte aufweist: - Aufbringen von noch nicht ausgehärtetem Strukturmaterial (110) zwischen dem ausgehärtetem Strukturmaterial (110) und der Deckschicht (218), und - Aushärten des aufgebrachten Strukturmaterials (110).
  35. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ferner folgenden Schritt nach dem Aushärten des Strukturmaterials (110) aufweist: - Ausbilden eines Gasabführkanals (130) obenseitig im Reaktor (100) und/oder in einer Deckschicht (218).
  36. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - welches ferner folgenden Schritt nach dem Entfernen des Opfermaterials (310) aufweist: - Durchspülen des Strukturmaterials (110).
  37. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei als Halbleitermaterial (200) Titandioxid, Siliziumdioxid, Indiumoxid, Eisen(III)-Oxid, Wolframoxid, ein legiertes Oxid, ein Mischoxid, Strontiumtitanoxid und/oder Bismutvanadiumoxid verwendet wird.
  38. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei das Halbleitermaterial (200) dotiert ist.
  39. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Einbringen des Halbleitermaterials (200) folgende Schritte vor dem Einbringen des Strukturmaterials (110) aufweist: - Verbringen des Halbleitermaterials (200) in die Form (300), und - Verteilen des Halbleitermaterials (200) in dem Opfermaterial (310).
  40. Verfahren nach Anspruch 39, - wobei das Halbleitermaterial (200) pulverförmig in die Form (300) verbracht wird.
  41. Verfahren nach einem der Ansprüche 39 oder 40, - wobei das Halbleitermaterial (200) mit dem Opfermaterial (310) verbunden wird, indem auf das Opfermaterial (310) Dampf angewendet wird.
  42. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei das Halbleitermaterial (200) partikelförmig ist.
  43. Verfahren nach Anspruch 42, - wobei das Halbleitermaterial (200) eine Partikelgröße von mindestens 10 nm, mindestens 50 nm, mindestens 75 nm oder mindestens 100 nm aufweist.
  44. Verfahren nach einem der Ansprüche 42 oder 43, - wobei das Halbleitermaterial (200) eine Partikelgröße von höchstens 200 nm, höchstens 225 nm, höchstens 250 nm, höchstens 500 nm, höchstens 1 mm oder höchstens 5 mm aufweist.
  45. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei das Entfernen des Opfermaterials (310) durch Auflösen in einem Lösungsmittel erfolgt.
  46. Verfahren nach Anspruch 45, - wobei als Lösungsmittel zum Auflösen des Opfermaterials (310) Wasser verwendet wird.
  47. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ferner folgenden Schritt aufweist: - Trocknen des Reaktors (100) nach dem Aushärten des Strukturmaterials (110).
  48. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei der Reaktor (100) zur Produktion von Wasserstoff und/oder Methan ausgebildet ist.
  49. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - welches ferner folgenden Schritt aufweist: - Anbringen mindestens eines Spiegels (170) derart, dass durch den Reaktor (100) transmittiertes Licht ganz oder teilweise auf den Spiegel (170) trifft und der Spiegel (170) dieses Licht ganz oder teilweise zum Reaktor zurück reflektiert.
  50. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ferner folgenden Schritt aufweist: - Anbringen eines ersten Spiegels (170) und eines zweiten Spiegels derart, dass der Reaktor (100) sich zwischen den Spiegeln (175) befindet, - wobei mindestens einer der Spiegel (170, 175) halbtransparent ist.
  51. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ferner folgenden Schritt aufweist: - Anbringen von Spiegeln (170, 175), welche den Reaktor (100) teilweise oder vollständig umschließen.
  52. Verfahren nach Anspruch 51, - wobei mindestens einer der Spiegel (170, 175) halbtransparent ist.
  53. Reaktor (100) zur lichtinduzierten Produktion von gasförmigem Brennstoff, welcher mittels eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt wurde.
  54. Reaktor (100) zur lichtinduzierten Produktion von gasförmigem Brennstoff, aufweisend: - ein Strukturmaterial (110), in welchem ein poröser Bereich (112) ausgebildet ist, - ein Halbleitermaterial (200), welches in dem porösen Bereich (112) angeordnet ist, - einen Einlassanschluss (120) zum Zuführen eines Edukts zum porösen Bereich (112), und - einen Gasabführkanal (130) zum Ableiten von gasförmigem Brennstoff aus dem porösen Bereich (112).
  55. Reaktor (100) nach Anspruch 54, - wobei der Reaktor (100) mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 52 hergestellt wurde.
  56. Reaktor (100) nach einem der Ansprüche 54 oder 55, - wobei in dem porösen Bereich (112) ferner ein Unterstützungsmaterial (210, 212, 214) angeordnet ist, welches mindestens eine Aktivierungsenergie verringert und/oder Licht einfängt und dabei freie Ladungsträger generiert.
  57. Anordnung (500) zur lichtinduzierten Produktion von gasförmigem Brennstoff, nämlich Methan, aufweisend: - einen ersten Reaktor (100) nach einem der Ansprüche 53 bis 56, - eine Einrichtung (122) zum Zuleiten von Wasser zum ersten Reaktor (100), - eine Trennvorrichtung (140) zum Abtrennen von Wasserstoff, welche eingangsseitig mit einem Gasabführkanal (130) des ersten Reaktors (100) verbunden ist, wobei die Trennvorrichtung (140) zumindest einen ersten Anschluss (142) zum Ausgeben von Wasserstoff aufweist, - einen zweiten Reaktor (100a) nach einem der Ansprüche 50 bis 53, welcher eingangsseitig mit dem ersten Anschluss (142) und mit einer Einrichtung (515) zum Zuführen von Kohlendioxid verbunden ist.
  58. Anordnung (400) zur lichtinduzierten Produktion von gasförmigem Brennstoff, aufweisend - einen Reaktor (100) nach einem der Ansprüche 53 bis 56, und - eine oder mehrere Stützen (420, 425) zum Halten des Reaktors (100) über einem Boden (410).
  59. Anordnung (400) nach Anspruch 58, - welche ferner einen ersten Spiegel (170) aufweist, welcher halbtransparent ist und den Reaktor (100) oberhalb ganz oder teilweise abdeckt, und/oder - welche ferner einen zweiten Spiegel (175) aufweist, welcher den Reaktor (100) unterhalb ganz oder teilweise abdeckt.
  60. Anordnung (400) nach Anspruch 59, - wobei der zweite Spiegel (175) halbtransparent ist.
  61. Anordnung (400) nach einem der Ansprüche 58 bis 60, - wobei der Boden (410) Bestandteil der Anordnung ist, und - wobei der Boden (410) ein landwirtschaftlich nutzbarer Boden ist.
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