DE102022107895A1 - Process for the light-induced production of gaseous fuel - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur lichtinduzierten Produktion von gasförmigem Brennstoff, wobei mindestens ein Edukt in einen Reaktor eingeleitet wird, im Reaktor entstandenes Gas abgeleitet wird, das Gas in den gasförmigen Brennstoff umgesetzt wird und wobei der Reaktor ein poröses Strukturmaterial mit darin und/oder darauf befindlichem Halbleitermaterial aufweist.The invention relates to a method for the light-induced production of gaseous fuel, wherein at least one starting material is introduced into a reactor, gas formed in the reactor is discharged, the gas is converted into the gaseous fuel and the reactor has a porous structural material in and/or on it located semiconductor material.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur lichtinduzierten Produktion von gasförmigem Brennstoff.The invention relates to a method for the light-induced production of gaseous fuel.

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.As industrial processes and other technical systems such as motor vehicles are converted to an operating mode that produces as little carbon dioxide or other greenhouse gases as possible, gaseous fuel such as hydrogen or methane is becoming particularly important. Such gaseous fuel can in particular be stored much more easily than electrical power can be stored, and it typically produces no or at least little carbon dioxide during combustion. If the gaseous fuel is not taken from fossil energy sources, but is produced using environmentally friendly electricity and/or produced in a way that removes as much carbon dioxide from the atmosphere as is later released during combustion, it is called gaseous fuel a climate-neutral energy source.

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.Known approaches to producing gaseous fuels that are as climate-neutral as possible are based in particular on the idea of generating the fuel using electricity, which is fed into the grid in excess from renewable energy sources. This occurs in particular when environmentally dependent power generators such as wind turbines or solar cells generate a lot of electricity due to high wind strength or high solar radiation, but this is not currently needed by the consumers connected to the grid. In such situations, it is essential for grid stability to dissipate excess electricity appropriately. Since storing electricity in chemical energy storage systems is complex and expensive and requires a lot of space, the selective production of gaseous fuel using the excess electricity can be used to relieve the electricity grid of excess electricity. The disadvantage of this approach, however, is that in this case the gaseous fuel cannot be produced in a predictable manner over the long term, since the availability of excess electricity depends on both the consumption behavior of other consumers and weather conditions. Furthermore, the overall efficiency is currently still relatively low.

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.As gaseous fuels are increasingly introduced as energy sources in systems that have so far been supplied by fossil fuels, the need for gaseous fuels such as hydrogen and methane in particular will increase significantly, so that independent, efficient production of such gaseous fuels independently of the power grid appears to make sense.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur lichtinduzierten Produktion von gasförmigem Brennstoff bereitzustellen, welches im Vergleich zu bekannten Ausführungen alternativ oder besser, oder günstiger, ausgeführt ist. Dies wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen können beispielsweise den Unteransprüchen entnommen werden. Der Inhalt der Ansprüche wird durch ausdrückliche Inbezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.It is therefore an object of the invention to provide a method for the light-induced production of gaseous fuel, which is designed alternatively or better, or more cheaply, compared to known designs. This is achieved according to the invention by a method according to claim 1. Advantageous refinements can be found, for example, in the subclaims. The content of the claims is made the content of the description by express reference.

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.
The invention relates to a method for the light-induced production of gaseous fuel. The procedure has the following steps:
  • - introducing at least one reactant into a reactor,
  • - Discharging gas produced in the reactor, and
  • - converting the gas into the gaseous fuel;
  • - wherein the reactor has a completely or partially porous structural material with semiconductor material located therein and/or thereon.

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.By means of such a process it is possible to produce gaseous fuel directly using light, in particular sunlight. For this purpose, a reactor is used, onto which light typically shines and into which at least one reactant is passed. The gaseous fuel is produced from this starting material. In this way, a detour in which light is first converted into electricity and then a gaseous fuel is produced with this electricity is avoided. The efficiency of producing gaseous fuel using the energy contained in light is thus significantly improved.

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.According to one embodiment, the structural material can be completely porous. This can mean that the structural material is completely traversed by small channels and/or pores. The structural material can also be partially porous. This can mean that there is a porous area in the structural material, which is traversed by small channels and/or pores. This porous area can in particular be surrounded by a non-porous area, for example completely or partially.

Insbesondere kann das Strukturmaterial ganz oder teilweise lichtdurchlässig sein. Auf die andernorts hierin gegebene diesbezügliche Beschreibung sei verwiesen.In particular, the structural material can be completely or partially translucent. On the Reference is made to any related description provided elsewhere herein.

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.The starting material can be, for example, water. The water can be split in the reactor, producing hydrogen and oxygen. Hydrogen or the combination of hydrogen and oxygen, which is also known as oxyhydrogen, can then be used as a gaseous fuel. However, other starting materials are also possible.

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.The reactor can be, for example, a reactor as described elsewhere herein. In particular, the reactor may have been manufactured using a method described herein. All of the features described in this regard can be used. In particular, all of the features described with respect to the method of manufacturing a reactor may constitute structural features of the reactor which may be used for the light-induced production of gaseous fuel method described herein. An arrangement described here can also be used, and all of the described designs and variants can also be used.

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.A reactor is typically a component into which at least one educt is introduced and onto which light shines, with at least one product, in particular gaseous fuel, being produced from the educt in a light-induced manner. Chemical processes are used that are stimulated directly by light. Gaseous fuel is therefore produced directly.

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.To generate gas, in particular a chemical reaction or a sequence of chemical reactions can take place in the reactor. In particular, it can involve electrochemical reactions. These can be triggered or amplified in particular by the semiconductor material. In particular, electron-hole pairs can be generated in the semiconductor material upon irradiation with light, with the electrons and/or the holes then recombining with ions that arise from the starting material to form gaseous fuel and/or another product.

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.The structural material can in particular have a three-dimensional porous structure. This can apply in particular to a porous area or to the entire structural material. Such a structure allows light to pass through a three-dimensional area of the reactor in which chemical reactions can take place. The porous structure can therefore be designed in particular in three dimensions. This means that the volume in which light can achieve its desired effect can be significantly increased compared to flat versions with a thin layer. The use of the energy contained in light can be significantly improved in this way. Reference is made to the explanations given elsewhere regarding a porous structure.

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.The structural material can in particular have a sponge-like structure, in particular an open-pore sponge-like structure. This can apply in particular to a porous area or to the entire structural material. This can mean in particular that there are numerous three-dimensional connections between small spaces in the structural material, with predominantly continuous small spaces being formed in the structural material. The starting material can typically flow through these gaps from one side of the structural material to the opposite side, with at least part of it being converted into a product.

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.The reactor can in particular be arranged entirely or partially between a first mirror and a second mirror. At least one of the mirrors is typically semi-transparent. This can ensure that light can first penetrate the reactor through the semi-transparent mirror and have its desired effect, whereby it does not then leave the reactor unused, but is reflected by the other mirror and penetrates the active area again. By reflecting again on the semi-transparent mirror, a further pass through the relevant area of the reactor can be carried out, and this process can be carried out practically as often as you like. The semi-transparent mirror ensures that light reaches the reactor. The other mirror can in particular not be transparent, so that light is completely reflected. However, it can also be semi-transparent to allow some light to pass through. This can be used, for example, when the reactor is positioned over an agricultural area so that some of the sunlight is used to produce gaseous fuel, but the other part of the sunlight is used to grow agricultural crops. It can be provided that only part of the agricultural area is covered by the mirrors and/or reactors. This can in particular ensure that sufficient sunlight and/or precipitation reaches the usable area. Reference is made to the description given elsewhere herein regarding mirrors. In particular, only one mirror can be used, especially below the reactor.

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.Concentrator mirrors or concentrator elements can also be used. These can focus sunlight onto a reactor. They can have a light concentrating effect. For example, several mirrors can be arranged on a surface, which focus sunlight on a centrally arranged reactor. Mirrors can also be used that are trough-shaped, whereby the reactor can extend elongated, in particular at the focal point or a line of focal points.

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.The reactor can in particular be illuminated by sunlight and/or focused sunlight. Sunlight is specifically the light that is emitted by the sun and hits the earth's surface during the day. It doesn't necessarily have to be full sun. Light that has penetrated clouds, for example, can also be used for the method described here. To produce focused sunlight, a special focusing device can typically be used. This can, for example, have one or more lenses and/or one or more mirrors. This allows sunlight to be collected from a larger area and directed to a reactor in a focused manner.

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.According to an advantageous embodiment, the reactor is designed without a glass substrate. This means that the use of a glass substrate can be dispensed with. In particular, glass substrates can be used for units for converting educts into products which only have a thin layer thickness, i.e. are in fact two-dimensional. In the embodiments of the reactor described herein, a three-dimensional structure is used, which offers a significantly better yield of the energy contained in the light.

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.The educt can in particular be at least partially derived again from the reactor. This is the educt which has not reacted to form the product, i.e. in particular not to form the gaseous fuel and possibly other gases formed in the process. The educt can then, for example, be fed back into the reactor, whereby a completely or at least partially closed circuit of the educt can be achieved.

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.The educt can in particular be completely or partially liquid. This allows the educt to be passed through the reactor easily. However, the starting material can alternatively also be gaseous or have a certain viscosity.

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.In particular, the starting material can be water or contain water. In particular, water can be decomposed, producing hydrogen and/or oxygen. This combination is also known as oxyhydrogen. The water can, for example, also be provided with additives which can, for example, improve the chemical reaction and/or prevent corrosion.

Der gasförmige Brennstoff kann insbesondere Wasserstoff sein. Dieser kann beispielsweise durch Abtrennung aus einem Gemisch von Wasserstoff und Sauerstoff erhalten werden.The gaseous fuel can in particular be hydrogen. This can be obtained, for example, by separation from a mixture of hydrogen and oxygen.

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.According to one embodiment, the educt is wholly or partly gaseous. For example, the starting material can be air or contain air. This can be the typical ambient air. The starting material can also be a gas mixture of carbon dioxide and hydrogen, or can be a gas mixture that contains carbon dioxide and hydrogen. By using carbon dioxide and hydrogen as starting material, it can be achieved in particular that a light-induced reaction leads to the production of methane. This means that methane can be produced in particular from hydrogen and carbon dioxide, which is either contained in the air that is passed through or has been taken from the air. In terms of climate protection, this has the advantage that the combustion of methane only produces a quantity of CO 2 that was previously removed from the atmosphere. The use of methane is therefore climate-neutral despite the combustion of a hydrocarbon.

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.The gaseous fuel can be, for example, methane, another hydrocarbon or a mixture of hydrocarbons. Such hydrocarbons, for example methane, can be produced in particular from carbon dioxide taken from the air, as already mentioned. Methane or other gaseous hydrocarbons can be stored, transported and converted into energy through combustion relatively easily. When burned cleanly, hardly any harmful exhaust gases are produced.

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.The gas produced in the reactor can be a mixture of hydrogen and oxygen. During the reaction, hydrogen in particular can be separated from oxygen. The hydrogen then forms, in particular, the gaseous fuel. The oxygen can also be used or it can be released into the environment. For example, swing adsorption (vacuum pressure swing adsorption), metal-based semipermeable membranes or ceramic semipermeable membranes can be used as separation techniques. Such separation techniques are basically known in the prior art.

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.The gas formed in the reactor can be a mixture of oxygen with methane and/or one or more other hydrocarbons. During the reaction, methane, another hydrocarbon and/or several other hydrocarbons or a mixture of hydrocarbons can be separated from oxygen. The separation techniques already mentioned can also be used here. The gaseous fuel is then typically methane or the hydrocarbon or a mixture of hydrocarbons.

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.However, the reaction can also mean that gas produced in the reactor is used directly as gaseous fuel, i.e. without further process steps and/or without separation steps. This can be the case in particular if oxyhydrogen gas is produced in the reactor, i.e. a mixture of hydrogen and oxygen, which can be used directly, for example, to generate energy. It can also be the case when methane is produced, which, for example, may already have a purity sufficient for use.

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.It should be mentioned that the resulting gaseous fuel does not necessarily have to be used as an energy source. For example, it can also be used as a raw material, for example as a raw material for chemical processes to produce products such as plastics.

Insbesondere kann der Reaktor eine in sich stabile Einheit bilden. Dies erlaubt eine einfache Handhabung. Auf die andernorts hierzu gegebenen Ausführungen sei verwiesen.In particular, the reactor can form an inherently stable unit. This allows for easy handling. Reference is made to the information provided elsewhere.

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.The structural material can in particular have a pore size of at least 5 μm and/or a pore size of at most 1 mm. This has proven useful for typical designs because water can flow through easily and a large internal surface is created in the structural material on which reactions can take place to produce gaseous fuel. Additional typical or preferred pore size ranges are provided elsewhere herein and reference is made to these.

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.In particular, a material that is completely or at least partially transparent to light in the visible spectrum and/or in the ultraviolet spectrum can be used as the structural material. This allows advantageous transparency to visible light and/or ultraviolet radiation, whereby such radiation can induce the processes relevant here.

Als Strukturmaterial kann insbesondere Polydimethylsiloxan verwendet werden. Auch andere Materialien sind jedoch möglich.Polydimethylsiloxane in particular can be used as a structural material. However, other materials are also possible.

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.At least one support material can also be located in the structural material. Multiple support materials can also be used. Reference is made to the description of support materials provided elsewhere herein.

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.The support material can at least partially contact the semiconductor material. This allows the support material to exchange electrons and/or holes with the semiconductor material. Reference is made to the description given elsewhere.

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 particular, at least one support material can be a noble metal, gold, silver, platinum, aluminum, cobalt, iridium, ruthenium, cobalt oxide, iridium oxide, ruthenium oxide, an organic cobalt compound, an organic ruthenium compound and/or a metal-free catalyst based on boron, carbon, phosphorus, Be sulfur, silicon and/or selenium and/or a non-metal oxide. Such support materials have proven to be advantageous for typical applications. In particular, they can have a catalytic effect. Any combinations can be used. Other support materials can also be used alternatively or additionally.

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.In particular, exactly two or at least two different support materials can be located in the reactor. In particular, gold and platinum can be used as support materials. One, some or all of the support materials can in particular be formed as nanoparticles and/or as crystals. Typically, support materials such as gold or platinum are arranged within the reactor in such a way that individual particles, at least predominantly, do not touch each other. Thus, even though such support materials may be conductive, electrical conductivity of the reactor is not typically produced.

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.One, some or all of the support materials in the reactor may in particular have a particle size of at least 1 nm, 5 nm or at least 10 nm and/or at most 250 nm or at most 300 nm.

Die andernorts hierin gegebene Beschreibung zu Unterstützungsmaterialien kann auf das beschriebene Verfahren zur Produktion von gasförmigem Brennstoff vollständig angewandt werden.The description of support materials provided elsewhere herein can be fully applied to the gaseous fuel production process described.

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.For example, titanium dioxide, silicon dioxide, indium oxide, iron (III) oxide, tungsten oxide, an alloyed oxide, a mixed oxide, strontium titanium oxide and / or bismuth vanadium oxide can be used as semiconductor material. Such semiconductor materials have proven to be advantageous for typical applications. However, others can also be used. Any combinations can also be used. The semiconductor material can in particular be doped. This allows the properties of the semiconductor material to be optimized. For example, phosphorus, arsenic, antimony, boron, aluminum, gallium and/or indium can be used for doping.

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.The semiconductor material can in particular be particulate. In particular, it can have a particle size of at least 1 nm, at least 5 nm, at least 10 nm, at least 50 nm, at least 75 nm or at least 100 nm. It may have a particle size of at most 200 nm, at most 225 nm, at most 250 nm, at most 500 nm, at most 1 µm or at most 5 µm. Such particle sizes have proven to be advantageous for typical applications. Reference is made to the description given elsewhere herein. However, other particle sizes can also be used.

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.The gas or the gaseous fuel formed in the reactor can in particular be used as starting material in a further process as described herein. Thus, the method described herein can be carried out twice in succession. For example, a mixture of hydrogen and oxygen can be produced in a first reactor. The oxygen can be separated and used for other purposes. The hydrogen can be used as a starting material for a second reactor, in which a process as described herein is again carried out. In this case, additional carbon dioxide is supplied, which has been removed from the air, or alternatively, additional air is supplied, which typically contains carbon dioxide. In the second reactor, the hydrogen reacts with the carbon dioxide, producing methane. Overall, a simple coupling of two reactors enables a process in which methane is produced from water and carbon dioxide. This can in particular be methane produced in a climate-neutral manner, since water as a starting material is not harmful to the climate, sunlight is used as an energy source and the carbon dioxide that is later produced when methane is burned has already been removed from the atmosphere.

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.In particular, hydrogen can initially be produced as a gaseous fuel, and the hydrogen can be used together with carbon dioxide or air as a starting material in the further process. Overall, this allows an advantageous process for producing methane using sunlight as an energy source.

Nachfolgend werden weitere erfindungsgemäße Aspekte beschrieben. Diese beziehen sich insbesondere auf die Herdstellung eines Reaktors. Sie sind auch einzeln relevant, und können beliebig untereinander sowie mit anderen hierin beschriebenen Aspekten kombiniert werden. Insbesondere kann das Verfahren zur Produktion von gasförmigem Brennstoff mittels eines hierin beschriebenen Reaktors oder mittels eines Reaktors, welcher wie hierin beschrieben hergestellt wurde, ausgeführt werden.Further aspects of the invention are described below. These relate in particular to the hearth position of a reactor. They are also relevant individually, and can be combined in any way with each other and with other aspects described herein. In particular, the process for producing gaseous fuel may be carried out using a reactor described herein or using a reactor manufactured as described herein.

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.
The invention relates to a method for producing a reactor for the light-induced production of gaseous fuel. The procedure has the following steps:
  • - introducing a porous sacrificial material into a mold,
  • - introducing a structural material into the mold so that the sacrificial material is completely or partially covered,
  • - introducing a semiconductor material into the structural material,
  • - curing the structural material, and then
  • - Removal of the sacrificial material.

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.Using such a reactor, gaseous fuel such as hydrogen or methane can be produced directly using sunlight and one or more reactants. For example, water can be broken down into hydrogen and oxygen using light, whereby, for example, the resulting hydrogen can be separated off and used as a gaseous fuel. Due to the use of a porous sacrificial material, the formation of a three-dimensional structure is possible, which enables significantly better utilization of the energy present in sunlight compared to two-dimensional thin layers. Gaseous fuel can be produced particularly efficiently from one or more educts and the energy contained in sunlight without taking a loss-prone detour through electricity generation and use.

Die Schritte des Verfahrens können insbesondere in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Es können jedoch auch andere Reihenfolgen gewählt werden.The steps of the method can in particular be carried out in the order specified. However, other orders can also be selected.

Insbesondere kann mit dem Einbringen des porösen Opfermaterials begonnen werden.In particular, the introduction of the porous sacrificial material can begin.

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.According to one embodiment, the structural material is then introduced and then the semiconductor material is introduced. However, the semiconductor material can also be introduced into the structural material first, and this combination made of semiconductor material and structural material are then introduced into the sacrificial material. It is also possible to carry out these steps at the same time.

Das Strukturmaterial kann vor, nach und/oder während dem Entfernen des Opfermaterials ausgehärtet werden.The structural material may be cured before, after and/or during removal of the sacrificial material.

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.Manufacturing is understood here to mean, in particular, the production of an object such as a reactor. In this context, production is understood to mean, in particular, the production of a gaseous fuel. This distinction is only for conceptual clarity.

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.Gaseous fuel can in particular be hydrogen or methane. These fuels are expected to be of greatest importance in converting industrial processes or other energy-consuming units to climate-neutral operation. In principle, however, depending on the design, the reactor can also be used to produce other gaseous fuels, such as other hydrocarbons. The gaseous fuel can also be a mixture, for example a mixture of hydrogen and oxygen formed when water decomposes, which is also referred to as oxyhydrogen.

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.The sacrificial material is in particular a material which is used in the course of the process, but is at least largely removed again before the reactor is used for the light-induced production of gaseous fuel. The sacrificial material is used in particular to bring the structural material into a defined shape. Since the sacrificial material is porous, it is ensured in particular that the structural material is also porous after hardening, which applies to at least a region or part of the structural material. This can be understood in particular to mean that there are channels in the structural material, which are typically connected to one another and/or branched, so that, for example, a liquid can move three-dimensionally through the structural material. The shape typically specifies at least a rough extent of the reactor to be manufactured. The shape can, for example, be designed at least approximately as a shell, which is enclosed at the bottom and sides, but is open at the top. Other versions are also possible. The sacrificial material can be placed in such a form that it remains in place after insertion.

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.The structural material is typically the material that at least essentially determines the structure of the reactor produced after the method has been carried out. In particular, the structural material defines an inner surface on which chemical, in particular electrochemical, processes for the reaction of one or more educts in the gaseous fuel can take place. Due to the porous structure, this inner surface is typically three-dimensional, so that compared to layered versions, a significantly larger surface area in the reactor and thus also a significantly better utilization of the light shining on the reactor is achieved. When the structural material is placed in the mold, the sacrificial material is already in the mold. The structural material essentially occupies those areas within the mold that are not filled by the sacrificial material. The sacrificial material appears, for example, as a lost form. Since the sacrificial material is porous, the structural material also has a porous structure. Preferably, the structural material is wholly or at least partially translucent, in particular in the visible spectral range and/or in the ultraviolet spectral range. This can happen especially after hardening at the latest, but it can also happen earlier.

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.The semiconductor material is typically introduced into the structural material in such a way that it covers the already mentioned inner surface of the structural material or at least a part or a significant part thereof. The semiconductor material therefore has a large reactive surface on which chemical processes can take place, so that particularly good utilization of the sunlight irradiating the reactor is achieved. Accordingly, instead of introducing the structural material, one can also speak of applying it. In another formulation, introducing the structural material may include applying.

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.Before curing, the structural material is typically liquid or at least essentially liquid, in particular at room temperature, i.e. at a temperature of approximately 20 ° C. In particular, it can be flowable, so that it can be introduced into the mold and distributed there essentially automatically . Support, for example with ultrasound, is possible. In particular, the structural material can be distributed in free spaces left by the sacrificial material due to its porous structure. Typically, pressure exerted by gravity and/or support from ultrasound is sufficient. When hardening, the structural material changes to a state in which it is no longer flowable. This may mean that Structural material assumes a hard state, which no longer allows non-destructive bending or compression of the structural material. However, it can also mean that the structural material hardens into a state in which it is soft or at least has a certain softness, so that, for example, the structural material can be bent and/or compressed using pressure. This is typically not a disadvantage for the functionality of a reactor. During curing, in particular a chemical reaction and/or a physical transformation can take place in the structural material, so that in particular the structural material subsequently has a higher strength and/or stiffness at room temperature.

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.When removing the sacrificial material, the sacrificial material is typically removed in whole or in part, so that cavities remain in the structural material, which define a porous structure of the structural material. When using the reactor for the light-induced production of gaseous fuel, these cavities typically serve to pass one or more reactants through and to produce gaseous fuel upon contact with the semiconductor material or other materials.

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.The semiconductor material typically has a band gap, which allows electron-hole pairs to be created by light irradiation. This can be done directly in the semiconductor material, or it can be done through the use of additional materials, for example the support materials mentioned below, such as catalysts. For example, gold can be used to generate light-induced electron-hole pairs particularly efficiently. The electrons and holes generated can then be released to surrounding atoms, molecules and/or ions, for example to convert them into a more stable state.

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.It is known, for example, that water (H 2 O) undergoes autodissociation, that is, it automatically breaks down into ions and then immediately recombines into water molecules. This recombination can be prevented by the presence of electrons and holes in the semiconductor material, resulting in other stable products such as hydrogen molecules and oxygen molecules. A similar process can also be used to produce other gaseous fuels.

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.The reactor can in particular be manufactured as an inherently stable unit. This can mean, in particular, that the reactor has internal stability after completion of the manufacturing process, so that the individual components no longer disintegrate during normal use and/or transport. The possible bendability or compressibility already mentioned above does not stand in the way of this. The reactor can thus be brought to a site and used there without the need for special measures to ensure the integrity of the reactor.

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.For example, stability can be achieved by the structural material, whereby, as already mentioned, flexibility or compressibility can remain. The stability can also be achieved through the shape, which in at least one embodiment can remain completely or partially in the finished reactor. Alternatively, it can also be removed.

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.The hardened structural material can in particular stabilize the reactor as an independently manageable unit. This can mean in particular that the hardened structural material represents an essential part of the reactor and ensures that the reactor does not independently disassemble into its components and cannot be held and/or transported by gripping the structural material or another component. The reactor can thus be moved to its place of use and/or can be maintained at its place of use so that it fulfills its intended purpose.

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.According to one embodiment, the reactor is bordered on the outside by hardened structural material and/or another solid or flexible material. A limitation through hardened structural material can occur in particular in those places where the mold already mentioned above was removed or was not present at all from the beginning. The mold can also be left entirely or partially on the reactor so that it can form a material that at least partially delimits the outside of the reactor. The shape is typically solid. Alternatively, a flexible material can in principle also be used for the shape.

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.
According to one embodiment, the method further comprises the following step:
  • - Applying ultrasound to the structural material after placing the structural material into the mold and before curing the structural material.

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.In particular, the ultrasound can be applied before the introduction of the semiconductor material and/or after the introduction of the semiconductor material. By using ultrasound, the distribution of the structural material in the sacrificial material is further improved. Through this The process can be accelerated, allowing the reactor to be manufactured more quickly. In addition, depending on the structural material and the sacrificial material, it can be achieved that the structural material even better fills the cavities left by the sacrificial material due to its porosity.

Der Ultraschall kann beispielsweise für mindestens 5 Minuten und/oder für höchstens 15 Minuten angewandt werden.The ultrasound can, for example, be applied for at least 5 minutes and/or for a maximum of 15 minutes.

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.
According to one embodiment, the method further comprises the following steps:
  • - Introducing one or more placeholders into the mold before introducing the structural material, the placeholder(s) extending to the sacrificial material, and
  • - Removal of the placeholder or placeholders after the structural material has hardened.

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.Using such placeholders, the structural material can be deliberately kept away from certain areas. In particular, the respective placeholder can define a space in which the structural material cannot spread. This makes it possible, for example, to create channels for educts and/or products.

Insbesondere können der oder die Platzhalter einen oder mehrere fluidische Anschlüsse des Reaktors definieren.In particular, the placeholder(s) can define one or more fluidic connections of the reactor.

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.For example, a first placeholder and a second placeholder can be introduced on opposite sides of the sacrificial material and/or the mold and/or at mutually opposite vertical and/or horizontal positions. Such placeholders can serve in particular to form a connection for introducing educts and a connection for discharging products and/or unreacted educts. However, more or fewer placeholders can also be used.

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.The sacrificial material can in particular be formed from one or more carbohydrates, one or more sugars, glucose, salt, polymer and/or as a 3D printed object. Such procedures have proven to be advantageous for typical applications. For example, when using carbohydrates or sugars, a granular structure of the sacrificial material can be used, which can be filled into the mold like ordinary household sugar, for example. Table sugar or another form of sugar, which can be handled in a similar way, can also be used as sacrificial material. Similarly, granular salt or polymer can be used. By using 3D printing, the structure of the sacrificial material, especially the porous structure, can be specified very precisely, which enables the pore structure to be optimized. A granular sacrificial material is particularly considered a porous sacrificial material.

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.According to one embodiment, the sacrificial material has a pore size of at least 5 μm. This has proven to be advantageous in ensuring a flow of educts and a discharge of products. For example, at least 40 µm or at least 50 µm can also be used as a pore size, with powdered sugar crystals, for example, which can be used as sacrificial material, having a typical pore size of around 50 µm. The sacrificial material advantageously has a pore size of at most 1 mm, at most 5 mm or at most 10 mm. For example, a range between 5 mm and 10 mm can be used. This corresponds to the size of a Styrofoam ball. The use of the specified dimensions ensures that a large internal surface is created within the porous structure of the structural material on which chemical reactions can take place. The utilization of irradiated light is thereby improved.

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.The sacrificial material can be introduced into the mold in whole or in part as a solid body. For example, the sacrificial material can be a granular sacrificial material, whereby the respective grains can be designed as solid bodies. This gives the sacrificial material a solid structure before the structural material is introduced, which is not changed or at least not significantly changed by the introduction of the structural material. The solid can in particular be cuboid, cube-shaped, cylindrical, spherical and/or ellipsoid. This can refer to individual bodies of the sacrificial material as well as to the entire spatial structure of the sacrificial material.

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.In particular, the sacrificial material can be introduced into the mold in whole or in part as a powder. This allows the sacrificial material to be easily handled and a porous structure to be formed automatically. Such a powder can be, for example, table sugar or a material with similar properties. In particular, a sacrificial material can be used that is soluble in a substance or chemical in which the structural material is not soluble. For example, water can be such a substance.

Das Opfermaterial kann jedoch auch als Körper in die Form eingebracht werden. Beispielsweise kann es sich dabei um einen oder mehrere Stück Würfelzucker handeln.However, the sacrificial material can also be introduced into the mold as a body. For example It can be one or more sugar cubes.

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.A material that is completely or at least partially transparent to light in the visible spectrum and/or in the ultraviolet spectrum is preferably used as the structural material. This can ensure that sunlight can penetrate through the structural material and reach those places where it can trigger chemical reactions. In this way, absorption of sunlight in the structural material, which would only lead to an increase in temperature without any further benefit, is prevented as much as possible.

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.In particular, a water-insoluble material and/or a hydrophobic material can be used as the structural material. This allows water to be passed through as a starting material without having an impact on the structural material. A hydrophobic material can in particular ensure that the water is not absorbed into the structural material and thus does not lead to a chemical change in the structural material in the long term.

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.In particular, polydimethylsiloxane can be used as a structural material. This has proven to be an advantageous structural material, which is in particular water-insoluble and can be easily used together with a suitable sacrificial material such as sugar in the context of the method described herein. In principle, however, the use of other structural materials is also possible.

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.The structural material can in particular be introduced into the mold in liquid and/or particle form. This allows a completely or at least partially automatic distribution of the structural material in the mold, in particular penetration into pores left by the sacrificial material.

Das Aushärten des Strukturmaterials kann insbesondere durch Erhitzen erfolgen. Dies erlaubt ein einfaches und zuverlässiges Aushärten des Strukturmaterials.The structural material can be hardened in particular by heating. This allows the structural material to harden easily and reliably.

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.According to one embodiment, the mold is removed after the structural material has hardened. This can mean complete or partial removal. When the mold is no longer needed for the finished reactor, this can save space and weight. Alternatively, the mold can also be left in the finished reactor, for example to create an external structure and/or to increase general stability.

Gemäß einer Ausführung weist das Verfahren ferner folgenden Schritt auf:

  • - Einbringen mindestens eines Unterstützungsmaterials in das Strukturmaterial.
According to one embodiment, the method further comprises the following step:
  • - Introducing at least one support material into the structural material.

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.This allows another material to be introduced into the reactor, which can in particular support the desired chemical reactions for the production of gaseous fuel. That's why this is called support material. Typically, the support material is a catalyst and/or a material for supplying additional energy and/or increasing efficiency. For example, it can be a material on which desired chemical processes can take place better and/or faster than on the semiconductor material. It can also be a material that can absorb light and thereby generate electrons and/or holes that are released to the semiconductor material. In particular, the support material is different from the semiconductor material.

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.The support material can at least partially contact the semiconductor material. In particular, these can be particles of the support material, which can adhere to the semiconductor material. The semiconductor material can be contained in the structural material, for example, flatly or in sections, for example cylindrically or in particle form. Contact between the support material and the semiconductor material enables an advantageous exchange of electrons and/or holes.

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.At least one support material can, for example, be a noble metal, gold, silver, platinum, aluminum, cobalt, iridium, ruthenium, cobalt oxide, iridium oxide, ruthenium oxide, an organic cobalt compound, an organic ruthenium compound and/or a metal-free catalyst based on boron, carbon, phosphorus, Sulfur, silicon, silicon dioxide, and / or selenium and / or a non-metal oxide and / or be designed as carbon nanotubes. In particular, full-surface silicon dioxide can be used as a catalyst, which can, for example, completely cover pores on the inside. Such support materials can advantageously support desired chemical processes for the production of gaseous fuel. One such support material may be used, but two, three or more such support materials may also be used. Any combinations and sub-combinations of the specified materials and the use of other, not specified materials are possible.

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.According to an advantageous embodiment, exactly two support materials will be introduced. At least two, i.e. two or more, different support materials can also be introduced. It has proven to be particularly advantageous in typical cases when gold and platinum are introduced as support materials. Gold can in particular absorb light in the visible spectrum and generate electron-hole pairs, with the electrons generated in particular being able to pass into the conduction band of the semiconductor material. Platinum can advantageously catalyze the formation of hydrogen molecules from protons and electrons from the conduction band.

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.For example, one, some or all of the support materials may be introduced as nanoparticles or may be grown as nanoparticles. They can also be grown more generally as crystals. Growing can also occur in the structural material. The nanoparticles can also be present as agglomerates. They can be produced, for example, by flame spray pyrolysis.

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.In particular, one, some or all of the support materials in the finished reactor may have a particle size of at least 5 nm or at least 10 nm and/or at most 250 nm or at most 300 nm or at most 500 nm. This can in particular provide a suitable large surface area on which chemical processes can take place. Higher particle sizes of, for example, 250 nm or 300 nm correspond at least approximately to the wavelength of UV light, which facilitates its absorption.

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.One, some or all of the support materials can be introduced, for example, by introducing a solution containing the respective support material or a starting material of the support material into the mold before introducing the structural material so that it completely or partially covers the sacrificial material. The solution is therefore already present when the structural material is introduced, so that the support material is arranged in a suitable manner on an inner surface of the structural material. An alcohol, for example, can be used as the solvent for the respective solution. In particular, ethylene glycol can be used. The use of other solvents is also possible.

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.
According to one embodiment, the method further comprises the following step:
  • - Heating the respective solution containing the support material or a starting material of the support material, advantageously introducing the support material or the starting material into the sacrificial material and/or growing the support material in the sacrificial material.

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.Heating can improve the distribution of the support material or its starting material in the sacrificial material. In addition, a growth process can be promoted so that, for example, particles of the support material are created. For this purpose, for example, temperatures between 20° C or room temperature and 100° C can be used. In particular, a temperature range of at least 80° C. and/or at most 90° C. can be used.

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.
According to one embodiment, the method further comprises the following steps before introducing the sacrificial material:
  • - Introducing a layer of structural material at the bottom of the mold, and
  • - Hardening of the layer of structural material.

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.This allows a non-porous layer of structural material to be created on the bottom, which can form, for example, a bottom plate or other bottom unit in the finished reactor. This can be used to prevent introduced educts or manufactured products from escaping from the bottom of the reactor. The subsequently applied structural material, which is to be made porous, typically combines with the previously applied layer of structural material on the bottom during curing, so that a completely or at least largely continuous block of structural material is created.

Gemäß einer Ausführung weist das Verfahren ferner folgenden Schritt nach dem Aushärten des Strukturmaterials auf:

  • - Anbringen einer Deckschicht über dem ausgehärteten Strukturmaterial.
According to one embodiment, the method further comprises the following step after the structural material has hardened:
  • - Applying a top layer over the cured structural material.

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.This can, for example, prevent educts and/or products from escaping from the top of the reactor. The cover layer can, for example, be formed from structural material that has already hardened. This allows the same material to be used and the parts of the structural material introduced at different times to be connected.

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.
According to one embodiment, the method further comprises the following steps:
  • - Application of uncured structural material between the cured structural material and the cover layer, and
  • - Hardening of the applied structural material.

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.This means that a cover layer that has already hardened outside the mold or independently of the other components of the reactor can be used and connected to the rest of the structural material in a suitable manner. Typically, adjacent areas of already hardened structural material melt to such an extent that, after cooling, a cohesive connection or a uniform, continuous formation of the structural material is created.

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.
According to one embodiment, the method further comprises the following step after the structural material has hardened:
  • - Forming a gas discharge channel at the top of the reactor and/or in a cover layer.

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.The formation in a cover layer can be carried out in particular if such a cover layer is present. The gas discharge channel can be formed, for example, by drilling, machining or laser processing. The gas discharge channel can in particular be used to discharge gaseous fuel produced upwards. Since the gaseous fuel is typically lighter than the liquid educts used and is also typically lighter than air, it typically rises upwards so that it can be easily removed through the gas discharge channel. Several gas discharge channels can also be designed accordingly.

Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, einen oder mehrere Gasabführkanäle mittels Platzhalter auszubilden, wie andernorts hierin beschrieben.Alternatively or additionally, it is also possible to form one or more gas discharge channels using placeholders, as described elsewhere herein.

Gemäß einer Ausführung weist das Verfahren ferner folgenden Schritt nach dem Entfernen des Opfermaterials auf:

  • - Durchspülen des Strukturmaterials.
According to one embodiment, the method further comprises the following step after removing the sacrificial material:
  • - Flushing the structural material.

Dies kann insbesondere mit deionisiertem Wasser erfolgen. Dadurch können eventuelle Reste von Opfermaterial oder sonstige noch im Reaktor enthaltene Verunreinigungen ausgespült werden.This can be done in particular with deionized water. This allows any remaining sacrificial material or other contaminants still contained in the reactor to be flushed out.

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.For example, titanium oxide, silicon dioxide, indium oxide, iron (III) oxide, tungsten oxide, an alloyed oxide, a mixed oxide, strontium titanium oxide and / or bismuth vanadium oxide can be used as semiconductor material. A combination of such materials is also possible. Such semiconductor materials have proven to be advantageous for a typical application, in particular for the production of hydrogen or methane. Other materials, such as non-metallic materials, can also be used. Any combinations are possible.

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.According to an advantageous embodiment, the semiconductor material is doped. This allows its effect to support gaseous fuel production to be improved. For example, phosphorus, arsenic, antimony, boron, aluminum, gallium and/or indium can be used as doping materials.

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.
According to one embodiment, the introduction of the semiconductor material has the following steps before the introduction of the structural material:
  • - Placing the semiconductor material in the mold, and
  • - Distributing the semiconductor material in the sacrificial material.

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.The semiconductor material can be distributed in the sacrificial material by indiffusion. It can be supported, for example, by shaking and/or tapping. This can lead to a faster procedure.

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.The semiconductor material can also be introduced via channels created. These can be of any type, for example as connections between pores and/or as channels that were created by machining or placeholders.

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.The semiconductor material can be introduced into the mold in particular in powder and/or liquid form. This allows for easy insertion. In particular, the semiconductor material can be bonded to the sacrificial material by applying steam to the sacrificial material. In particular, the steam causes a typical sacrificial material such as sugar, but also other sacrificial materials, to become somewhat sticky and thus combine with the semiconductor material. The semiconductor material later combines with the structural material when the structural material is introduced or remains at least partially on the inner surface of the structural material that is being formed. The procedure described can ensure a simple and reliable introduction of the semiconductor material, so that a sufficient or ideal amount of semiconductor material is available within the structural material for the intended function.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Halbleitermaterial erst dann eingebracht bzw. aufgenommen wird, wenn das Strukturmaterial bereits fertiggestellt wurde.In particular, it can be provided that the semiconductor material is only introduced or picked up when the structural material has already been completed.

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.The semiconductor material can in particular be particulate and/or liquid. The particle size can be, for example, at least 10 nm, at least 50 nm, at least 75 nm or at least 100 nm. The particle size can also be at most 200 nm, at most 225 nm, at most 250 nm, at most 500 nm, at most 1 µm or at most 5 µm. Such particle sizes are in particular in a typical wavelength of visible light, which facilitates the capture of visible light photons or UV radiation. Such photons can typically lead to the creation of electron-hole pairs in the semiconductor material, which can be used for desired chemical processes to produce gaseous fuel.

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.The sacrificial material can be removed in particular by dissolving it in a solvent. Water, for example, can be used as a solvent for dissolving the sacrificial material. This can be used particularly when a water-soluble sacrificial material is used. For example, water is particularly suitable as a solvent for dissolving the sacrificial material if sugar or another readily water-soluble material is used as the sacrificial material. In principle, however, other solvents can also be used, in particular a solvent can be used in which the sacrificial material used is readily soluble.

Vorteilhaft weist das Verfahren ferner folgenden Schritt auf:

  • - Trocknen des Reaktors nach dem Aushärten des Strukturmaterials.
The method advantageously also has the following step:
  • - Drying the reactor after the structural material has hardened.

Das Trocknen kann beispielsweise durch Erwärmen bzw. Erhitzen erfolgen. Dadurch kann eventuell noch vorhandenes Wasser oder anderes Lösungsmittel aus dem Reaktor entfernt werden.Drying can be done, for example, by heating or heating. This allows any remaining water or other solvent to be removed from the reactor.

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.The reactor can in particular be designed to produce hydrogen and/or methane. How such production can occur will be explained elsewhere herein. However, training to produce other gaseous fuels is also possible.

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.
According to one embodiment, the method further comprises the following step, in particular after the structural material has hardened:
  • - Attaching at least one mirror in such a way that light transmitted through the reactor hits the mirror in whole or in part and the mirror reflects this light in whole or in part back to the reactor.

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.Such a mirror can, for example, be arranged below the reactor. Sunlight can shine onto the reactor from above and partially leave the reactor at the bottom. Then it hits the mirror and is fully or partially reflected. As a result, it hits the reactor again and can lead to light-induced reactions again. The mentioned mirror can be completely reflective. It can also be semi-transparent, especially if an area under the reactor or under the mirror is to be illuminated, for example for agricultural or human use.

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.
According to one embodiment, the method further comprises the following step, in particular after the structural material has hardened:
  • - attaching a first mirror and a second mirror such that the reactor is between the mirrors,
  • - Preferably at least one of the mirrors is semi-transparent.

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.Through such a process, additional mirrors are attached to the reactor, which can ensure that incident light does not only pass through the part of the reactor in which chemical reactions can take place. Rather, the mirrors can ensure that the light passes through the relevant part of the reactor several times, i.e. in particular through that part of the reactor in which the semiconductor material is located. By making one of the mirrors semi-transparent, it can be ensured that sunlight can enter. After passing through the semi-transparent mirror, this typically first passes through that part of the reactor with semiconductor material, is then reflected on the other mirror and returns to the semi-transparent mirror. There it is at least partially reflected again and can release energy again. This is ultimately repeated until the light emerges again or has the desired effect in the reactor, namely the production of gaseous fuel, or is absorbed in some other way.

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.It can also be provided that both mirrors are semi-transparent, so that, for example, a process can take place below the reactor, which also requires light. This allows, for example, the reactor to be located over an agricultural field, with some of the sunlight in the reactor being used to produce gaseous fuel and another portion of the sunlight being used to grow plants in the agricultural field .

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.More than the first and second mirrors mentioned can also be attached or used. For example, the reactor can be surrounded on all sides by mirrors. For example, a total of six mirrors can be used for this, in particular corresponding to the side surfaces of a cuboid. Each of these mirrors can be semi-transparent or non-transparent.

Dementsprechend kann das Verfahren, insbesondere nach dem Aushärten des Strukturmaterials, folgenden weiteren Schritt aufweisen:

  • - Anbringen von Spiegeln, welche den Reaktor teilweise oder vollständig umschließen.
Accordingly, the method, in particular after the structural material has hardened, can have the following further step:
  • - Attaching mirrors that partially or completely enclose the reactor.

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. At least one of the mirrors can be semi-transparent. This can be the case in particular if the mirrors completely enclose the reactor. Light can then enter and/or exit through the semi-transparent mirror. Completely reflecting mirrors can also be provided, which enclose the reactor on all but one side, the latter side being able to remain free. Light can enter through this side. This can in particular be an upper side, which can, for example, be aligned so that sunlight can enter.

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.Semi-transparent mirrors typically allow part of the incident light to pass through and reflect the other part. The two parts do not necessarily have to account for half of the light. If a mirror is not semi-transparent, it is typically completely or at least almost completely reflective.

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.The invention further relates to a reactor for the light-induced production of gaseous fuel, which was produced by a method as described herein. With regard to the method, all versions and variants described herein can be used. In particular, all features described with reference to the process can lead to corresponding structural features of the reactor produced. These can be combined with each other as desired. In this regard, reference is made to the description given with reference to the process.

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.The invention further relates to a reactor for the light-induced production of gaseous fuel. The reactor has a structural material in which a porous region is formed. It has a semiconductor material which is arranged in the porous region. It has an inlet connection for supplying an educt to the porous area. It has one or more gas discharge channels for discharging gaseous fuel from the porous area. This means that light-induced gaseous fuel can be produced in the manner already described.

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.The reactor just described, or a reactor in general, can be produced or have been produced in particular by means of a method as described herein. All described versions and variants of the method can be used. In particular, all features and variants described with reference to the method, which lead to features in the reactor, can be applied to the reactor accordingly.

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.In particular, a support material can also be arranged in the porous area, which, for example, reduces at least one activation energy and/or captures light and thereby generates free charge carriers. These can be, for example, the catalysts already described above. These can in particular have such properties.

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.The invention further relates to an arrangement for the light-induced production of gaseous fuel, namely methane. The arrangement has a first reactor as described herein, with all of the described designs and variants being available. The arrangement has a device for supplying water to the first reactor. It has a separation device for separating hydrogen, which is connected on the input side to a gas discharge channel of the first reactor, the separation device having at least one first connection for discharging hydrogen. The arrangement has a second reactor as described herein, with all of the described embodiments and variants being available, the second reactor being connected on the input side to the first connection and to a device for supplying carbon dioxide.

Mittels einer solchen Anordnung kann in einfacher und zuverlässiger Weise Methan produziert werden. Auf die andernorts hierzu gegebenen Ausführungen sei verwiesen.Using such an arrangement, methane can be produced in a simple and reliable manner. Reference is made to the information provided elsewhere.

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.The invention further relates to an arrangement for the light-induced production of gaseous fuel. The arrangement has a reactor as described herein, with all described embodiments and variants being possible, and it has one or more supports for holding the reactor above a floor.

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.This allows advantageous open-space assembly, with large areas being used for the production of gaseous fuel can be used, similar to what is known from solar fields. The floor can, but does not have to, be understood as part of the arrangement.

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. According to one embodiment, the arrangement can further have a first mirror, which is semi-transparent and expediently completely or partially covers the reactor above, and / or it can further have a second mirror, which expediently completely or partially covers the reactor below. This allows the light to be passed through the reactor several times and the yield can be increased.

Sofern nur der zweite Spiegel vorhanden ist, kann dieser auch einfach als Spiegel oder als erster Spiegel bezeichnet werden.If only the second mirror is present, it can also simply be referred to as a mirror or as a first mirror.

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.According to one embodiment, the second mirror can be semi-transparent. This enables light to be passed through in a targeted manner into an area below the reactor. This means that this area can be used, for example, for plant growth or for people to stay. The other versions with mirrors described elsewhere herein can also be used accordingly.

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.The floor can be part of the arrangement. In particular, the soil can be agriculturally usable soil. This can be, for example, a field or field or another agricultural area. Agricultural crops such as grains and vegetables can grow on this soil. In particular, the floor can be completely or at least partially or predominantly covered with earth. In particular, the reactor can be arranged so high above the ground and/or the supports can be so high that it is possible for agricultural vehicles to drive underneath the reactor. This can mean, for example, a height of at least 0.5 m, 1 m, 2 m, 3 m or 5 m. In particular, sufficient height can be provided for the passage of agricultural machines.

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.The invention also relates to use of a reactor or arrangement as described herein over an agricultural area. All versions and variants described can be used.

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.The procedures described herein are not limited to the splitting of water. By choosing suitable materials, such as nanostructures, they can also be used for other plasmon-assisted chemical processes or other processes. For example, it is possible to convert hydrogen into methane with the addition of carbon dioxide.

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.The porosity of the sacrificial material can be influenced, for example, by the choice of sacrificial material. For example, sugar cubes, salt, powdered sugar, silicon dioxide and/or polystyrene balls can be used as sacrificial material. The geometry of a resulting sponge-like structure, especially in the structural material, can be varied by changing the expansion of the sacrificial material, for example from a few millimeters to several meters or even larger systems. In the case of structural material, any material can typically be selected, such as transparent polymers, which are castable and do not dissolve the selected sacrificial material. For example, PMMA or silicones can be used. Plasmonic materials of the nanostructures can be, for example, gold, silver, platinum and/or aluminum. In addition, photocatalytic materials such as titanium oxide and/or indium oxide can be used as semiconductor materials. Other materials are also possible. Particle sizes can fundamentally be varied. The size of plasmonic nanoparticles can in particular be between 10 nm and 200 nm. The size of photocatalytic particles can vary in particular between 10 nm and several micrometers.

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.In particular, the reactor described herein can be understood as a flow cell in which water in a transparent polymer sponge is split into hydrogen and oxygen by plasmonic nanostructures under illumination by sunlight. However, the reactor can also be designed differently or used differently.

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.Special plasmonic nanoantennas (e.g. photocatalytic metallic nanoparticles) can, when excited by photons, split water into hydrogen and oxygen. They typically serve as moderators between the photons of (sun) light and the water molecules. For this purpose, the water molecules should typically be close to the nanostructures. The more nanostructures involved in water splitting in a system, the higher the hydrogen yield.

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.In particular, transparent polymer sponges are considered here, namely those that are structured with plasmonic nanoparticles that split water when exposed to sunlight. The large surface area and the three-dimensional extent of the sponge or the porous structure can be exploited, in particular to incorporate as many nanostructures as possible into the water splitting process. In particular, nanoparticles made of two materials, namely gold and titanium dioxide, can be applied to the surface of the sponge, as this combination of materials has proven particularly useful in experiments on plasmonic water splitting. However, other materials or combinations of materials can also be used. Nanoparticles can, for example, exist as agglomerates. They can be produced, for example, using flame spray pyrolysis.

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.For example, gold nanostructures can be grown from a solution (for example gold chloride dissolved in ethylene glycol) on the surface of the sponge under the influence of heat. The sponge is soaked in the solution and then heated. The size of the nanostructures is defined by temperature and time. Titanium dioxide particles can also be applied to the sponges from a solution or suspension. These processes enable the structuring of otherwise difficult to access areas in the sponges. This allows full use of the existing surface. In addition, they are passive processes that typically require only a small amount of working time. In addition, they are largely independent of the size of the sponge. The polymer sponges can be produced using a casting process that is largely independent of the size and geometry of the casting template. For example, sugar cubes can be used as a mold or sacrificial material. This results in open sponges in which all pores are connected to one another. To use the structured sponges, they can be integrated into flow cells. Water is supplied and removed from the sponge through channels. Gaseous hydrogen and oxygen, which are produced when the nanostructures in the sponge are illuminated, rise and are discharged via a separate outlet or several separate outlets. For example, separate outlets can be provided for hydrogen and oxygen.

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.The procedure described here enables high scalability and simple and time-efficient production of reactors or plasmonic sponges, particularly in comparison to other approaches to plasmonic water splitting. The large structured surface of the sponges compared to the base area is an advantage. The usual production of nanostructures using lithographic and/or 3D printing methods limits the number of nanostructures that can be produced. This is particularly because lithography is time-consuming, expensive, and requires flat surfaces to work effectively.

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.Another advantage is the expansion in three dimensions. This creates a multi-layer system from the perspective of the incident photons. This makes the interaction of photons with a nanostructure more likely.

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.Compared to electrolysis, which is carried out using electricity from renewable energies, the procedure described here has the advantage that solar energy is converted directly into hydrogen or another gaseous energy source. This saves the efficiency of energy production from wind, water or solar energy. Compared to steam reforming or electrolysis, which is carried out using non-renewable energies, it is particularly advantageous that no fossil raw materials are used and no carbon dioxide is released.

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.
A person skilled in the art will find further features and advantages in the exemplary embodiment described below with reference to the accompanying drawing. Show:
  • 1 : an illustration of plasmonic water splitting,
  • 2 : another illustration of plasmonic water splitting,
  • 3 : several steps of a process for producing a reactor,
  • 4 : a reactor in a situation of use,
  • 5 : an arrangement for producing gaseous fuel, and
  • 6 : another arrangement for producing gaseous fuel.

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.Solar plasmonic water splitting is considered a promising source of green hydrogen. Sunlight can be converted directly into hydrogen, which enables carbon dioxide-free and low-loss hydrogen production. Other gaseous fuels can also be produced accordingly.

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.In particular, the procedure described here can result in a transparent and porous medium with an irregular surface. The surface is then coated with water-splitting nanostructures, particularly via direct growth. The entire surface is thus structured at the same time. A stochastically layered system of nanostructures is created. This increases the probability of interaction between photons and plasmonic particles.

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.Plasmonic water splitting can be understood in particular as a process in which optical properties of materials on the nanometer scale are used to support the splitting of water molecules into H + ions and O - ions. The energy threshold for such a fission is 1.23 eV. Light with a wavelength of 1,000 nm and below has enough energy to carry out water splitting. However, a further reaction of ions to form molecules, especially hydrogen and oxygen molecules, can also be achieved. Therefore, electrons as well as holes and energy are needed. Holes take part in the further reaction of oxygen, that is, the formation of O 2 molecules from O - ions. Electrons ensure that H 2 molecules are formed from H + ions. The formation of gas occurs in particular at catalytic sites at interfaces between, for example, a semiconductor material and water. The energy of the valence band of the semiconductor material should in particular be smaller than the energy required for the further reaction to oxygen gas. The conduction band should in particular be higher than the energy required for further reaction to hydrogen gas. Titanium oxide, for example, meets these criteria. The efficiency can be further increased by doping the titanium oxide. Exciton generation in semiconductors with wide band gaps typically requires energy from the ultraviolet region of the electromagnetic spectrum. Sunlight typically only has about 5% of its energy in the relevant spectrum. To increase efficiency, plasmonic nanoparticles can be used.

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.Plasmonic nanoparticles are, in particular, metal particles with dimensions that are smaller than the wavelength of visible light. The depth of entry of visible light into metals is large compared to the size of the particles. Therefore, a free electron gas can be set into collective oscillation by absorbing incident light. One effect of the collective oscillation is a periodic accumulation of electrons and holes on the surface of the particles that act as nanoantennas. This leads to an increased near field near the particles and the generation of hot charge carriers that are able to leave the metal particles.

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.A nanoantenna-semiconductor system can form a heterojunction with a Schottky barrier in between. If the hot charge carriers have sufficient energy, they can pass through and enter the conduction band of the semiconductor material. The Schottky barrier can advantageously prevent backward migration. In the case of gold and titanium oxide, the Schottky barrier is 0.23 eV, which is high enough to largely prevent re-emission. The hot charge carriers generated in the gold nanoparticles typically have an energy of 1 to 2 eV. They are passed on to the conduction band of the semiconductor material.

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.A possible system for plasmonic water splitting is in 1 shown. A semiconductor material 200 is shown, which in the present case has a particle shape and is made of titanium oxide (TiO 2 ). Ultraviolet light hµ (UV) is absorbed in it, which leads to the excitation of electrons from the valence band VB to the conduction band LB. This creates electron-hole pairs.

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.In addition, next to the semiconductor material 200 there is a support material 210 in the form of a gold nanoparticle. Visible and infrared light hµ (Vis-NIR) is absorbed there, which also leads to the creation of electron-hole pairs. The electrons enter the conduction band LB of the semiconductor material 200, namely via the Schottky barrier already mentioned above.

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.An electrochemical reaction of H + ions into hydrogen molecules (H 2 ) takes place on the semiconductor material 200 with the absorption of two electrons from the conduction band LB. This produces hydrogen. Likewise, an electrochemical reaction of water molecules (H 2 O) into oxygen molecules (O 2 ) takes place on the support material 210, releasing H + ions. The holes in the support material 210 are used to balance the load.

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.The process can be further supported. This is in 2 shown. There is also another supporting material 212 in the form of an organic cobalt compound (Co-OEC). It has been shown that this makes it easier to produce oxygen from water. Furthermore, there is another support material 214 in the form of a platinum nanoparticle, which has proven to be advantageous for the combination of H + ions to form hydrogen, including the electrons present in the conduction band LB. This can further increase the efficiency of plasmonic water splitting into hydrogen and oxygen.

3 zeigt beispielhaft ein Verfahren zum Herstellen eines Reaktors. 3 shows an example of a method for producing a reactor.

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.In step 1, a mold 300 is first provided, in which a first opening 302 and a second opening 304 are formed. As shown, the first opening 302 is arranged on the left side and further down, whereas the second opening 304 is arranged on the right side and further up is. Liquid structural material 110 is filled into the mold 300, and only enough to form a lower layer. This is hardened, for example by applying heat. This creates a hardened soil layer 116, as can be seen in the illustration for step 2. A sacrificial material 310 is placed thereon, a cuboid piece of sugar being used as the sacrificial material 310 in the present case. However, other materials can also be used. In the embodiment described here, titanium dioxide particles, which represent a semiconductor material 200, are already introduced at this point. For this purpose, titanium dioxide particles are scattered over the sacrificial material 310 and steam is applied to the sacrificial material 310 for a certain time. This causes the sugar to become sticky and the titanium dioxide particles are distributed throughout the sacrificial material 310 and bond with it. The titanium dioxide particles can, for example, have a diameter of 100 nm to 200 nm, but other diameters can also be used.

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. As can be further seen in step 3, a first placeholder 320 and a second placeholder 325 are inserted through the openings 302, 304. These extend from outside the mold 300 to the sacrificial material 310. The mold 300 is then filled with structural material 110. The structural material 110 is still in liquid form. It is therefore distributed both next to the sacrificial material 310 and in spaces left between particles of the sacrificial material 310.

Wie gezeigt wird dabei in der vorliegenden Ausführung das Opfermaterial 310 vollständig vom Strukturmaterial 110 bedeckt.As shown, in the present embodiment the sacrificial material 310 is completely covered by the structural material 110.

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.Ultrasound is then applied to the structural material 110 in step 4. As a result, the structural material 110 is distributed better and faster in the spaces between the sacrificial material 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.Subsequently, in step 5, the structural material 110 is hardened, which creates a porous area 112 in which the sacrificial material 310 is still located, with a non-porous area 114 also created surrounding the porous area 112. The placeholders 320, 325 are removed, so that a first fluidic connection in the form of an inlet connection 120 and a second fluidic connection in the form of an outlet connection 125 are created. These are used in the later finished reactor 100 to feed in educts and to discharge unreacted educts.

Der Reaktor 100 ist hier bereits als Block 105 zu erkennen.The reactor 100 can already be seen here as block 105.

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.Subsequently, in step 6, the mold 300 is removed and the sacrificial material 310 is removed in a water bath 330. In other words, the sugar is triggered. This leaves cavities in the porous area 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.In step 7, the reactor 100 is then dried and a cover layer 118 is applied. By applying a further thermal curing step, bottom layer 116, porous region 112, non-porous region 114 and top layer 118 combine to form a single block 105 of structural material 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.A solution containing dissolved gold is then introduced. This is shown in step 8. In particular, a solution containing HAuCl 4 can be used. Such a solution can be heated so that gold precipitates. After the solution has been introduced, gold can harden or precipitate, for example for 2.5 hours at 80 °C. The gold thereby combines with the semiconductor material 200 and grows as particles to form a support material 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.In step 9, the porous area 112 is blown out with compressed air so that it is finally cleaned. Furthermore, a gas discharge channel 130 is formed on the top side of the reactor 100 by drilling.

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.Polydimethylsiloxane (PDMS) in particular can be used as a structural material. This is particularly suitable for the application relevant here. It is highly transparent throughout the visible and infrared spectrum, as well as the ultraviolet spectrum. It is also inert to most organic solvents and is non-toxic. The polydimethylsiloxane or another structural material 110 can be introduced into the sacrificial material 310 more quickly and more uniformly, in particular by means of ultrasound. For example, ultrasound can be applied for about 5 minutes to 15 minutes. The structural material 110 can be hardened, for example, by applying a temperature of 120 ° C for approximately 25 minutes. When washing out the sacrificial material 310, the water bath 330 can be heated to achieve better washing out. Final drying, for example after rinsing with deionized water, can take place, for example, in an oven at 150 ° C. This makes the surface accessible.

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.For example, a solution of gold chloride (HAuCl 2 ) in ethylene glycol can be used to coat the surface of the porous structural material 110 with gold nanostructures. Other solutions and/or solvents are also available however possible. The solution is added to the porous medium. The porous medium is filled with the solution and is then dried out, for example on a hot plate at 80 ° C, preferably covered. A color change from white to red typically occurs over the next 2.5 hours. This indicates that growth of gold nanoparticles is occurring in sizes between 10 nm and 200 nm. Remaining solution of gold chloride is then typically rinsed out, for example with water, in particular with ultrapure water or deionized water.

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.The formation of platinum nanostructures can be done in the same way as with gold, but for example a solution of platinum chloride (PtCl 2 /Pt 2 Cl 4 ) can be used. Ethylene glycol, for example, can also be used as a solvent. The growth process is typically slower than gold. For the same temperature and time, smaller particles are observed.

Die weiter oben bereits erwähnte Form 300 kann insbesondere die spätere Ausdehnung des Reaktors 100 vorgeben.The shape 300 already mentioned above can in particular specify the later expansion of the reactor 100.

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.The water bath 330 can, for example, be used for a period of at least 30 minutes and/or at most 1.5 hours. It has been shown that the sacrificial material 310 is sufficiently washed out during this period.

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. 4 shows the reactor 100 with further components. The reactor 100 is, as shown, formed as a block 105 in which the porous region 112 and the surrounding non-porous region 114 of the structural material 110 are located. An inlet connection 120 is formed on the bottom left side, to which a pump 122 is connected for supplying water as educt. The pump 122 thus represents a device for supplying water. The outlet connection 125 is formed on the top right, to which a return line 150 is connected. Excess water that has not reacted in the reactor 100 is directed back to the inlet port 120 via a valve 156. A heat exchanger 160 for cooling the returned water is attached to the return line 150. Any excess water can be drained off via a valve 152 and a drain 154.

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. Light 102 shines onto the reactor 100. This is typically sunlight. The chemical processes mentioned above take place so that some of the water passed through decomposes into hydrogen and oxygen. The resulting oxyhydrogen gas is drained off at the top via the already mentioned gas discharge channel 130 and fed to a separating device 140. This can, for example, be based on membranes. The separation device 140 has a first connection 142 and a second connection 144. In the present implementation, hydrogen is drained at the first port 142 and oxygen is drained at the second port 144. This means that hydrogen is available in pure form as a gaseous fuel.

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. 5 shows an arrangement 400 for producing gaseous fuel, with a reactor 100 being shown purely schematically above a base 410. The reactor 100 is held above the floor 410 by a first support 420 and a second support 425. The reactor 100 is predominantly arranged between two semi-transparent mirrors, namely an upper semi-transparent mirror 170 and a lower semi-transparent mirror 175. This results in sunlight first passing through the upper semi-transparent mirror 170, passing through the reactor 100 and being partially reflected by the lower semi-transparent mirror 175. Part of the sunlight thus leads to the already mentioned processes in the reactor 100 to produce gaseous fuel. However, some also reaches the ground 410 and can be used there to enable plant growth. The reactor 100 can thus be used over a large area over agricultural land, whereby both hydrogen is produced and agricultural crops can grow underneath. In contrast to known open-field solar systems, this means that the area does not have to be used for agricultural purposes.

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. 6 shows another arrangement 500 for producing gaseous fuel, in this case for producing methane. Regarding the left part of it, ie the reactor 100, please refer to the description already given above 4 referred. A hydrogen line 510 is connected to the first connection 142 of the separation device 140, which supplies the resulting hydrogen to a second reactor 100a. Directly in front of an inlet port 120a of the second reactor 100a, a carbon dioxide line 515 is additionally connected to the hydrogen line 510, which supplies carbon dioxide to the inlet port 120a of the second reactor 100a and thus represents a device for supplying carbon dioxide. A mixture of hydrogen and carbon dioxide thus enters the second reactor 100a.

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.The second reactor 100a does not have an outlet port. Instead, it only has a gas discharge channel 130a on the top side. Through the described supply of the educts hydrogen and carbon dioxide, methane is generated in the second reactor 100a when light hits. This methane is discharged from the top via the gas discharge channel 130a and can be used as gaseous fuel. If the carbon dioxide used is previously removed from the atmosphere, the resulting methane is climate-neutral because its combustion only produces as much carbon dioxide as was previously removed from the atmosphere.

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.Overall, the procedures described herein enable very efficient and cost-effective production of gaseous fuel, for which a reactor that is easy to manufacture can be used. In contrast to known procedures, the detour via generated electricity can be dispensed with and large-scale use can take place under the condition that areas used for the production of solar hydrogen can also be used for agriculture.

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.Mentioned steps of the method according to the invention can be carried out in the order specified. However, they can also be executed in a different order if this makes technical sense. The method according to the invention can be carried out in one of its embodiments, for example with a specific combination of steps, in such a way that no further steps are carried out. However, in principle, further steps can also be carried out, including those not mentioned.

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.It should be noted that in the claims and the description features may be described in combination, for example to facilitate understanding, although they may also be used separately. The person skilled in the art will recognize that such features can also be combined independently of one another with other features or combinations of features.

Rückbezüge in Unteransprüchen können bevorzugte Kombinationen der jeweiligen Merkmale kennzeichnen, schließen jedoch andere Merkmalskombinationen nicht aus.References in subclaims can indicate preferred combinations of the respective features, but do not exclude other combinations of features.

BezugszeichenlisteReference symbol list

100100
Reaktorreactor
105105
Blockblock
110110
StrukturmaterialStructural material
112112
poröser Bereichporous area
114114
nichtporöser Bereichnon-porous area
116116
Bodenschichtsoil layer
118118
Deckschichttop layer
120120
EinlassanschlussInlet port
122122
Pumpepump
125125
AuslassanschlussOutlet port
130130
GasabführkanalGas discharge channel
140140
TrennvorrichtungSeparating device
142142
erster Anschlussfirst connection
144144
zweiter Anschlusssecond connection
150150
Rücklaufleitungreturn line
152152
VentilValve
154154
AblaufSequence
156156
VentilValve
160160
WärmetauscherHeat exchanger
170170
SpiegelMirror
175175
SpiegelMirror
200200
HalbleitermaterialSemiconductor material
210210
UnterstützungsmaterialSupport material
212212
UnterstützungsmaterialSupport material
214214
UnterstützungsmaterialSupport material
300300
Formshape
302302
Öffnungopening
304304
Öffnungopening
310310
OpfermaterialSacrificial material
320320
Platzhalterplaceholder
325325
Platzhalterplaceholder
330330
Wasserbadwater bath
400400
Anordnungarrangement
410410
BodenFloor
420420
Stützesupport
425425
Stützesupport
500500
Anordnungarrangement
510510
WasserstoffleitungHydrogen pipe
515515
KohlendioxidleitungCarbon dioxide pipe

Claims (36)

Verfahren zur lichtinduzierten Produktion von gasförmigem Brennstoff, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: - Einleiten mindestens eines Edukts in einen Reaktor (100), - Ableiten von im Reaktor (100) entstandenem Gas, und - Umsetzen des Gases in den gasförmigen Brennstoff; - wobei der Reaktor (100) ein vollständig oder teilweise poröses Strukturmaterial (110) mit darin und/oder darauf befindlichem Halbleitermaterial (200) aufweist.Process for the light-induced production of gaseous fuel, the process having the following steps: - introducing at least one starting material into a reactor (100), - discharging gas formed in the reactor (100), and - converting the gas into the gaseous fuel; - wherein the reactor (100) has a completely or partially porous structural material (110) with semiconductor material (200) located therein and/or thereon. Verfahren nach Anspruch 1, - wobei das Strukturmaterial (110) eine dreidimensionale poröse Struktur aufweist.Procedure according to Claim 1 , - wherein the structural material (110) has a three-dimensional porous structure. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei das Strukturmaterial (110) eine offenporige schwammartige Struktur aufweist.Method according to one of the preceding claims, - Wherein the structural material (110) has an open-pore sponge-like structure. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei der Reaktor (100) ganz oder teilweise zwischen einem ersten Spiegel (170) und einem zweiten Spiegel (175) angeordnet ist, wobei mindestens einer der Spiegel (170, 175) halbtransparent ist.Method according to one of the preceding claims, - wherein the reactor (100) is arranged entirely or partially between a first mirror (170) and a second mirror (175), at least one of the mirrors (170, 175) being semi-transparent. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei der Reaktor (100) von Sonnenlicht und/oder fokussiertem Sonnenlicht beschienen wird.Method according to one of the preceding claims, - Wherein the reactor (100) is illuminated by sunlight and/or focused sunlight. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei der Reaktor (100) ohne Glassubstrat ausgebildet ist.Method according to one of the preceding claims, - Wherein the reactor (100) is designed without a glass substrate. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei das Edukt zumindest teilweise wieder aus dem Reaktor (100) abgeleitet wird.Method according to one of the preceding claims, - The educt is at least partially derived again from the reactor (100). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei das Edukt ganz oder teilweise flüssig ist.Method according to one of the preceding claims, - where the educt is wholly or partly liquid. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei das Edukt Wasser ist oder Wasser enthält.Method according to one of the preceding claims, - where the starting material is water or contains water. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei der gasförmige Brennstoff Wasserstoff ist.Method according to one of the preceding claims, - where the gaseous fuel is hydrogen. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei das Edukt ganz oder teilweise gasförmig ist.Method according to one of the preceding claims, - where the educt is wholly or partly gaseous. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei das Edukt Luft ist oder Luft enthält.Method according to one of the preceding claims, - where the starting material is air or contains air. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei das Edukt eine Gasmischung aus Kohlendioxid und Wasserstoff ist, oder eine Gasmischung ist, die Kohlendioxid und Wasserstoff enthält.Method according to one of the preceding claims, - where the starting material is a gas mixture of carbon dioxide and hydrogen, or is a gas mixture that contains carbon dioxide and hydrogen. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei der gasförmige Brennstoff Methan, ein anderer Kohlenwasserstoff oder ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen ist.Method according to one of the preceding claims, - where the gaseous fuel is methane, another hydrocarbon or a mixture of hydrocarbons. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei das im Reaktor (100) entstehende Gas eine Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff ist und beim Umsetzen Wasserstoff vom Sauerstoff separiert wird.Method according to one of the preceding claims, - Wherein the gas formed in the reactor (100) is a mixture of hydrogen and oxygen and hydrogen is separated from oxygen during the reaction. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei das im Reaktor (100) entstehende Gas eine Mischung aus Sauerstoff mit Methan und/oder einem oder mehreren anderen Kohlenwasserstoffen ist und beim Umsetzen Methan, ein anderer Kohlenwasserstoff und/oder mehrere andere Kohlenwasserstoffe oder ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen vom Sauerstoff separiert werden.Method according to one of the preceding claims, - Wherein the gas formed in the reactor (100) is a mixture of oxygen with methane and/or one or more other hydrocarbons and during the reaction methane, another hydrocarbon and/or several other hydrocarbons or a mixture of hydrocarbons are separated from the oxygen. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei der Reaktor (100) eine in sich stabile Einheit bildet.Method according to one of the preceding claims, - The reactor (100) forms an inherently stable unit. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei das Strukturmaterial (110) eine Porengröße von mindestens 5 µm aufweist.Method according to one of the preceding claims, - Wherein the structural material (110) has a pore size of at least 5 µm. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei das Strukturmaterial (110) eine Porengröße von höchstens 1 mm aufweist.Method according to one of the preceding claims, - Wherein the structural material (110) has a pore size of at most 1 mm. 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.Method according to one of the preceding claims, - A material that is completely or at least partially translucent in the visible spectrum and/or in the ultraviolet spectrum is used as the structural material (110). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei als Strukturmaterial (110) Polydimethylsiloxan verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, - Polydimethylsiloxane being used as the structural material (110). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei sich in dem Strukturmaterial (110) ferner mindestens ein Unterstützungsmaterial (210, 212, 214) befindet.Method according to one of the preceding claims, - wherein at least one support material (210, 212, 214) is also located in the structural material (110). Verfahren nach Anspruch 22, - wobei das Unterstützungsmaterial (210, 212, 214) zumindest teilweise das Halbleitermaterial (200) kontaktiert.Procedure according to Claim 22 , - wherein the support material (210, 212, 214) at least partially contacts the semiconductor material (200). Verfahren nach einem der Ansprüche 22 oder 23, - 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 und/oder Selen und/oder ein Nichtmetalloxid ist.Procedure according to one of the Claims 22 or 23 , - wherein at least one support material (210, 212, 214) comprises a noble metal, gold, silver, platinum, aluminum, cobalt, iridium, ruthenium, cobalt oxide, iridium oxide, ruthenium oxide, an organic cobalt compound, an organic ruthenium compound and/or a metal-free catalyst Base of boron, carbon, phosphorus, sulfur, silicon and/or selenium and/or a non-metal oxide. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, - wobei sich in dem Reaktor (100) genau zwei oder mindestens zwei unterschiedliche Unterstützungsmaterialien (210, 212, 214) befinden.Procedure according to one of the Claims 22 until 24 , - whereby there are exactly two or at least two different support materials (210, 212, 214) in the reactor (100). Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, - wobei Gold und Platin als Unterstützungsmaterialien (210, 212, 214) verwendet werden.Procedure according to one of the Claims 22 until 25 , - where gold and platinum are used as support materials (210, 212, 214). Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 26, - wobei ein, einige oder alle Unterstützungsmaterialien (210, 212, 214) als Nanopartikel und/oder als Kristalle ausgebildet sind.Procedure according to one of the Claims 22 until 26 , - where one, some or all of the support materials (210, 212, 214) are formed as nanoparticles and/or as crystals. Verfahren nach Anspruch 27, - wobei ein, einige oder alle Unterstützungsmaterialien (210, 212, 214) im Reaktor (100) eine Partikelgröße von mindestens 1 nm, 5 nm oder mindestens 10 nm und/oder von höchstens 250 nm oder von höchstens 300 nm aufweisen.Procedure according to Claim 27 , - wherein one, some or all of the support materials (210, 212, 214) in the reactor (100) have a particle size of at least 1 nm, 5 nm or at least 10 nm and / or at most 250 nm or at most 300 nm. 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.Method according to one of the preceding claims, - Titanium dioxide, silicon dioxide, indium oxide, iron (III) oxide, tungsten oxide, an alloyed oxide, a mixed oxide, strontium titanium oxide and / or bismuth vanadium oxide being used as the semiconductor material (200). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei das Halbleitermaterial (200) dotiert ist.Method according to one of the preceding claims, - Wherein the semiconductor material (200) is doped. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei das Halbleitermaterial (200) mit Phosphor, Arsen, Antimon, Bor, Aluminium, Gallium und/oder Indium dotiert ist.Method according to one of the preceding claims, - Wherein the semiconductor material (200) is doped with phosphorus, arsenic, antimony, boron, aluminum, gallium and/or indium. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei das Halbleitermaterial (200) partikelförmig ist.Method according to one of the preceding claims, - Wherein the semiconductor material (200) is particulate. Verfahren nach Anspruch 32, - wobei das Halbleitermaterial (200) eine Partikelgröße von mindestens 1 nm, mindestens 5 nm, mindestens 10 nm, mindestens 50 nm, mindestens 75 nm oder mindestens 100 nm aufweist.Procedure according to Claim 32 , - wherein the semiconductor material (200) has a particle size of at least 1 nm, at least 5 nm, at least 10 nm, at least 50 nm, at least 75 nm or at least 100 nm. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 oder 33, - 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.Procedure according to one of the Claims 32 or 33 , - wherein the semiconductor material (200) has a particle size of at most 200 nm, at most 225 nm, at most 250 nm, at most 500 nm, at most 1 mm or at most 5 mm. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei das im Reaktor (100) entstandene Gas oder der gasförmige Brennstoff in einem weiteren Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Edukt verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, - wherein the gas or the gaseous fuel formed in the reactor (100) is used as starting material in a further process according to one of the preceding claims. Verfahren nach Anspruch 35, - wobei zunächst Wasserstoff als gasförmiger Brennstoff hergestellt wird, und - wobei der Wasserstoff zusammen mit Kohlendioxid oder Luft als Edukt im weiteren Verfahren verwendet wird.Procedure according to Claim 35 , - where hydrogen is initially produced as a gaseous fuel, and - where the hydrogen is used together with carbon dioxide or air as a starting material in the further process.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1997008291A1 (en) 1995-08-31 1997-03-06 Ashby Scientific Ltd. Apparatus and methods for culturing biological material
DE102005017216A1 (en) 2005-04-14 2006-10-19 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrttechnik e.V. Thermal hydrogen production in a gas-solid phase reaction
DE69931800T2 (en) 1998-10-28 2007-07-12 Cellon S.A. STRUCTURED AND POROUS SILICONE RUBBER
EP2150609B1 (en) 2007-06-01 2010-11-17 Wacker Chemie AG Photoreactor

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6156211A (en) * 1997-01-31 2000-12-05 Lynntech, Inc. Enhanced photocatalytic conversion of methane to methanol using a porous semiconductor membrane
US20140251786A1 (en) * 2013-03-11 2014-09-11 Sunpower Technologies Llc System for Harvesting Oriented Light for Carbon Dioxide Reduction
WO2017221136A1 (en) * 2016-06-22 2017-12-28 Sabic Global Technologies B.V. Photocatalytic water splitting using substrate with porous frit

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1997008291A1 (en) 1995-08-31 1997-03-06 Ashby Scientific Ltd. Apparatus and methods for culturing biological material
DE69931800T2 (en) 1998-10-28 2007-07-12 Cellon S.A. STRUCTURED AND POROUS SILICONE RUBBER
DE102005017216A1 (en) 2005-04-14 2006-10-19 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrttechnik e.V. Thermal hydrogen production in a gas-solid phase reaction
EP2150609B1 (en) 2007-06-01 2010-11-17 Wacker Chemie AG Photoreactor

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