Kurzbeschreibung
Mat4Wasserstoff befasst sich mit der Wasserstofftechnologie und konzentriert sich auf die Entwicklung neuartiger Materialien und deren Optimierung für die hocheffiziente photoelektrochemische Produktion (PEC) von Wasserstoff. Wasserstoff (H2) als einer der effizientesten Energieträger, der fossile Rohstoffe wie Öl, Kohle und Erdgas ersetzen kann, ist einer der vielversprechendsten Ansätze, um das Ziel der Klimaneutralität bis 2040 zu erreichen. In diesem Zusammenhang hat die österreichische Regierung verschiedene Programme als Verpflichtung zum EU Green Deal beschlossen. Diese Programme unterstützen innovative Lösungen zur Anpassung unseres Lebens und unserer Wirtschaft an den zunehmenden Klimawandel und rücken Österreich als Beschäftigungsmotor und innovativen Wirtschaftsstandort in den Fokus.
Das Ziel der Klimaneutralität bis 2040 forciert, durch intensive Nutzung aller zukunftsweisenden Technologien, den CO2-Ausstoß zu reduzieren und die globalen Klimaziele zu erreichen. Um dieses Ziel zu erreichen, wird ein multidisziplinäres Team aus erfahrenen Forschern mit internationaler Sichtbarkeit und ausgewiesene Expertise gebildet. Das Konsortium besteht aus Partnern aus unterschiedlichen komplementären Forschungsbereichen, ohne dass es zu Überschneidungen der Aktivitäten kommt. MUL und ESI Leoben sind die führenden österreichischen Institutionen auf dem Gebiet der Materialwissenschaften. Der tschechische Partner (Masaryk Universität) bringt sein fundiertes Fachwissen auf dem Gebiet der Plasmaerzeugung und deren Anwendung für Materialoberflächenmodifikationen ein, während das PCCL auf dem Gebiet der funktionellen Polymermaterialien internationale Anerkennung erlangt hat.
Mat4Wasserstoff zielt darauf ab, die anspruchsvolle Aufgabe der Entwicklung stabiler und effizienter PEC-Materialien zu bewältigen, indem eine neue Plattform zur Synthese nachhaltiger Photokatalysatoren entwickelt wird, die unter simulierter Bestrahlung durch die Kopplung von Oberflächenplasmonenresonanz und Elektrokatalyse effizient Wasser spalten. Zur Herstellung von Nanofaserpolymeren wird das Verfahren des Elektrospinnen verwendet, das gegenüber anderer Synthesemethoden erhebliche Vorteile bietet, darunter Kosteneffizienz, Skalierbarkeit und technische Vielseitigkeit.
Der Prozess der photoelektrochemischen Wasserspaltung, in dem Wasser als Rohstoff zur Erzeugung von Wasserstoff aus Sonnenenergie verwendet wird, hat das Potential einen großen Beitrag zur österreichischen Wasserstoff-Initiative zu liefern. Um die Wasserstofferzeugung im großen Maßstab durchführen zu können, werden jedoch effizientere Photokatalysatormaterialien benötigt. Ziel des Mat4Wasserstoff-Projekt ist es daher maßgeschneiderte Nanokohlenstoff-3D-Hybridmaterialien zur photoelektrochemischen Wasserspaltung zu entwickeln. Neuerung des Projekts ist einerseits die Verwendung innovativer Syntheseansätze (plasmaunterstütztes Elektrospinnen) und andererseits die schnellere Strukturoptimierung durch direkte Korrelation der gemessenen Effizienz mit der atomaren Struktur (untersucht mit modernsten TEM Charakterisierungsmethoden). Ziel ist es Materialschablonen mittels Elektrospinnen herzustellen und diese zu karbonisieren und/oder kalzinieren. Die Oberfläche der Nanofasermatten soll anschließend mit Ag-, Au- und CuO mit und ohne TiO2 funktionalisiert werden, um die Wasserstoffproduktion durch photochemische Wasserspaltung zusätzlich zu verbessern. Besonderes Augenmerk wird darauf gelegt, eine starke Haftung von den Katalysator-Nanopartikeln in der Nanofasermatrix zu erreichen, damit diese sich während des operativen Einsatzes nicht ablösen. Ziel ist es einen wirtschaftlichen Syntheseprozess zu entwickeln, um Materialien mit herausragender photoelektrochemische Leistung und langjährigen Stabilität zu liefern. Laut eines Berichts des US-Energieministerium sind zumindest 2 Jahre Lebensdauer für die Wasserstoffproduktion durch photoelektrochemische Wasserspaltung notwendig. Zusammengefasst umfasst das Mat4Wasserstopff-Projekt eine Reihe von innovativen Aspekten: (i) Synthese von einzigartigen Nanofasermatten mittels plasmagestützten Elektrospinnen (ii) kontrollierte Oberflächenfunktionalisierung der Kohlenstoffmatrix zur Herstellung stabiler Photokatalysatoren mit großer Oberfläche (iii) detaillierte photoelektrochemische Charakterisierung kombiniert mit modernsten in-situ TEM Untersuchungen von Einzelfasern.