DE102008051670A1 - Silicide zur photoelektrochemischen Wasserspaltung und/oder Erzeugung von Elektrizität - Google Patents

Silicide zur photoelektrochemischen Wasserspaltung und/oder Erzeugung von Elektrizität Download PDF

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Abstract

Beansprucht wird ein Verfahren zur fotoelektrochemischen Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff sowie zur gleichzeitigen oder getrennt ablaufenden fotoelektrischen/fotovoltaischen Erzeugung von Elektrizität, das dadurch gekennzeichnet ist, dass Wasser mit Siliciden bei gleichzeitiger Anwendung von Licht in Kontakt gebracht wird oder aber im Falle der ausschließlichen Erzeugung von Elektrizität auch auf den Wasserkontakt verzichtet werden kann. Die Erfindung ermöglicht die Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff auf einfache Weise direkt aus Wasser, wobei auf die Verwendung von UV-Licht und kostenintensive Katalysatoren verzichtet werden kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur photoelektrochemischen Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser und von Elektrizität, dies in Gegenwart von Siliciden (Siliziden) ganz allgemein und speziell von Metallsiliciden und nicht-metallischen Siliciden, wie z. B. Borsilicide, Kohlenstoff-haltige Silicide und Stickstoff-haltige Silicide, d. h. Verbindungen, die Silizium enthalten und die Zusammensetzung RSix aufweisen. R kann dabei ein organischer, metallischer, metallorganischer, nicht-metallischer oder anorganischer Rest sein und Si steht für das Element Silicium (Silizium) mit steigender Anzahl Atome X > 0. Im folgenden Text werden diese Stoffklassen als Silicide bezeichnet. Die Silicid-Untereinheiten dieser Stoffe zeichnen sich durch eine erhöhte Elektronendichte aus. Die Silicide in den vorgängig erwähnten Reaktionsprozessen katalytisch wirksam sein, wobei diese Prozesse mit oder ohne Licht ablaufen können. Bei Belichtung der Reaktionen wird jedoch eine Zunahme der Gasentwicklung festgestellt, dies bei Einsatz von Kunst- und Sonnenlicht. Höhere Reaktionstemperaturen sind oft reaktionsbeschleunigend. Silicide sind meist Halbleitermaterialien.
  • Die Silicide werden als Elektrodenmaterial (wahlweise als Anode oder Kathode), gekoppelt an eine Gegenelektrode (beispielsweise ein Metall, Metalloxid oder ein anderes leitendes Material), und/oder als Lichtsammelmaterial als Teil eines photoelektronischen/-elektrischen Prozesses verwendet. So können sie als Teil eines photovoltaischen Systems eingesetzt werden. Die Silicide dienen (a) der Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser in Gegenwart von Licht und (b) auch zur gleichzeitigen oder getrennt ablaufenden Erzeugung von Elektrizität. Für den Fall (b) werden flüssige und/oder nicht flüssige Elektrolyten eingesetzt und für die rein photovoltaische Anwendung kann bei geeigneter Dotierung der Elektroden auf den Elektrolyten ganz verzichtet werden.
  • Weiterhin wurde gefunden, dass die Ankoppelung oder Komplexierung eines Farbstoffs, wie Perylene und Analoga davon, an die Silicide sich vorteilhaft auf die Lichtabsorption dieser Stoffe, sowie die Ladungstrennung und demzufolge auf die Reaktivität der Silicide auswirkt. Es wurde weiterhin gefunden, dass die Umsetzungen mit Siliciden zur Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mit Licht zwecks Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff, wie aber auch zur Erzeugung von Elektrizität, auch mit Siliciden in immobilisierter Form durchgeführt werden können, d. h. mit Siliciden, die sich an oder in polymeren Materialien, und/oder an oder in Gläsern oder Glas-ähnlichen Materialien, sowie allgemein an oder in elektrisch/elektronisch leitenden Materialien befinden. Dies gilt auch für die photovoltaische Anwendung der Silicide.
  • Hintergrund
  • Zur Durchführung photochemischer Reaktionen zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser mittels metallischer Katalysatoren sind verschiedene Prozesse offenbart worden. Es handelt sich dabei um Lanthanid-artige Photokatalysatoren, wie beispielsweise NaTaO3:La, Katalysatoren aus seltenen Erdmetallen, wie beispielsweise R2Ti2O7 (R = Y, seltenes Erdmetall), oder um TiO2-abgeleitete Halbleiter-Systeme, so genannte Tandemzellen, wobei bisher keine Verwendung von Siliciden für die Titelanwendung erwähnt wurde.
  • Die Prozesse zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser beruhen auf der Reduktion und/oder Oxidation von Wasser mittels Halbleitermaterialien und Licht. Prozesse dieser Art werden auch als Wasserspaltung bezeichnet. Die bisher beschriebenen Prozesse verwenden UV-Licht. Obwohl in einigen Fällen eine beachtliche Entwicklung von Wasserstoff und Sauerstoff gefunden wurde, sind die erforderlichen Belichtungsbedingungen für eine solare Anwendung der Methode nicht geeignet. Zudem ist die Herstellung der Katalysatoren arbeitsintensiv und erfordert die Anwendung unökonomisch hoher Temperaturen, dies ausgehend von teuren Materialien mit äußerst hoher Reinheit.
  • Weiterhin ist für die Durchführung der genannten Prozesse die Anwendung sehr sauberen Wassers (dreifach destilliert) erforderlich. In den meisten Fällen wird keine Angabe bezüglich Langzeitanwendbarkeit und der damit verbundenen Stabilität der Katalysatoren gemacht. Die einzige bisherige brauchbare Anwendung verwendet Silicidpulver, wobei der Halbleiter selbst das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff in Gegenwart von Licht spaltet. Der Sauerstoff muss dann gesondert aus dem System befreit werden.
  • Alle diese Systeme können lediglich zur Wasserspaltung und nicht zur gleichzeitigen oder getrennt ablaufenden Erzeugung von Elektrizität (Photovoltaik) verwendet werden.
  • Für den Aufbau von photovoltaischen Systemen wurden Silicide bisher nicht verwendet. Es wurden lediglich in Einzelfällen (wie z. B. IrSi2 und beta-FeSi2) die elektrischen und optischen Eigenschaften von Filmen gemessen.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Es wurde nun überraschenderweise gefunden, dass sich diese Nachteile bei Verwendung von Siliciden (Siliziden), also von Metallsiliciden und nicht-metallischen Siliciden, wie z. B. Borsilicide, Kohlenstoff-haltige Silicide und Stickstoff-haltige Silicide, d. h. Verbindungen, die Silizium enthalten und die Zusammensetzung RSix aufweisen, vermieden werden können, wenn diese Prozesse nach einem photoelektrischen Prinzip ablaufen, d. h. wenn die Silicide als Lichtempfänger und/oder Elektrode eingesetzt werden. R kann dabei ein organischer, metallischer, metallorganischer oder anorganischer Rest sein und Si steht für das Element Silicium (Silizium) mit steigender Anzahl Atome X > 0. Im folgenden Text werden diese Stoffklassen als Silicide bezeichnet. Die Silicid-Untereinheiten dieser Verbindungen zeichnen sich durch eine erhöhte Elektronendichte aus.
  • Die nicht-metallischen Siliciden, wie Borsilicide, Kohlenstoff-haltige Silicide und Stickstoff-haltige Silicide werden auch Siliziumboride, -carbide und -nitride genannt.
  • Beispiele von Siliciden, Metallsiliciden und nicht-metallischen Siliciden, wie Borsilicide, Kohlenstoff-haltige Silicide und Stickstoff-haltige Silicide sind Nickelsilicid (Ni2Si), Eisensilicide (FeSi2, FeSi), Thalliumsilicid (ThSi2), Borsilicid auch Siliziumtetraborid genannt (B4Si), Cobaltsilicid (CoSi2), Platinsilicide (PtSi, Pt2Si), Mangansilicid (MnSi2), Titankohlenstoffsilicid (Ti3C2Si), Kohlenstoffsilicid/poly-Kohlenstoffsilicid oder auch Siliziumcarbid/poly-Siliciumcarbid carbid genannt (CSi/poly-CSi oder SiC/poly-SiC), Iridiumsilicid (IrSi2), Zirkonsilicid (ZrSi2), Tantalsilicid (TaSi2), Vanadiumsilicid (V2Si), Chromsilicid (CrSi2), Berylliumsilicid (Be2Si), Magnesiumsilicid (Mg2Si), Calciumsilicide (Ca2Si), Strontiumsilicid (Sr2Si), Bariumsilicid (Ba2Si), Aluminiumsilicid (AlSi), Galliumsilicid (GaSi), Indiumsilicid (InSi), Hafniumsilicid (HfSi), Rheniumsilicid (ReSi), Niobsilicid (NbSi), Germaniumsilicid (GeSi), Zinnsilicid (SnSi), Bleisilicid (PbSi), Arsensilicid (AsSi), Antimonsilicid (SbSi), Bismutsilicid (BiSi), Molybdänsilicid (MoSi), Wolframsilicid (WSi), Rutheniumsilicid (RuSi), Osmiumsilicid (OsSi), Rhodiumsilicid (RhSi), Palladiumsilicid (PdSi), Kupfersilicid (CuSi), Silbersilicid (AgSi), Goldsilicid (AuSi), Zinksilicid (ZnSi), Cadmiumsilicid (CdSi), Quecksilbersilicid (HgSi), Scandiumsilicid (ScSi), Yttriumsilicid (YSi), Lanthansilicid (LaSi), Cersilicid (CeSi), Praseodymsilicid (PrSi), Neodymsilicid (NdSi), Samariumsilicid (SmSi), Europiumsilicid (EuSi), Gadoliniumsilicid (GdSi), Terbiumsilicid (TbSi), Dysprosiumsilicide (DySi), Erbiumsilicide (ErSi), Thuliumsilicid (TmSi), Ytterbiumsilicid (YbSi), Lutetiumsilicid (LuSi), Kupfer-Phosphorsilicid (CuP3Si2, CuP3Si4), Kobalt-Phosphorsilicid (Co5P3Si2, CoP3Si3,) Eisen-Phosphorsilicid (Fe2PSi, FeP4Si4, Fe20P9Si), Nickel-Phosphorsilicid (Ni2PSi, Ni3P6Si2 NiP4Si3, Ni5P3Si2), Chrom-Phosphorsilicid (Cr25P8Si7), Molybdän-Phosphorsilicid (MoPSi), Wolfram- Phosphorsilicid (WPSi), Titan-Phosphorsilicid (TiPSi), Kobalt-Borsilicid (Co5BSi2), Eisen-Borsilicid (Fe5B2Si), Nickel-Borsilicid (Ni4BSi2, Ni6BSi2, Ni9B2Si4), Chrom-Borsilicid (Cr5BSi3), Molybdän-Borsilicid (Mo5B2Si), Wolfram-Borsilicid (W2BSi), Titan-Borsilicid (TiBSi), Chrom-Arsensilicid (CrAsSi), Tantal-Arsensilicid (TaSiAs), Titan-Arsensilicid (TiAsSi) oder Mischungen davon. Die hier in Klammern angeführten elementaren Zusammensetzungen (Summenformeln) sind beispielhaft und die Verhältnisse der Elemente zu einander sind variabel.
  • Silicide sind wohlfeile, leicht zugängliche Materialien (überwiegend Halbleitermaterialien) und sind bisher nicht für die Titelanwendungen in einer photoelektrischen, also einer photoelektrochemischen wie auch einer photovoltaischen Anwndung, eingesetzt worden.
  • Die Silicide sind überwiegend Halbleiter-artige Materialien mit hohen Elektronendichten am Silizium, Kohlenstoff, Stickstoff und Bor. Die beanspruchten Prozesse für die Erzeugung von Wasserstoff und/oder Sauerstoff mittels Siliciden laufen effizient mit Licht ab. Die verwendete Lichtenergie kann dabei künstlich oder solar erzeugt sein (Emissionsbereich: 200–15000 nm) und kann diffuser oder auch konzentrierter Natur sein. Die einhergehend mit der photonischen Energie, erzeugte thermische Energie einer Lichtquelle, oder auch thermische Energie ganz allgemein kann die Gas-erzeugenden, beanspruchten Prozesse beschleunigen. Ganz allgemein kann die Anwendung höherer Temperaturen, aber auch von höheren Lichtkonzentrationen zu einer höheren Effizienz der beanspruchten Prozesse führen. Dies gilt nicht nur für die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, sondern auch für die Erzeugung von Elektrizität (Photovoltaik), gleichzeitig oder getrennt von der Wasserspaltung ablaufen kann.
  • Die Silicide werden dabei als Elektrodenmaterial (wahlweise als Kathode oder Anode) in diesen photoelektrochemischen und photovoltaischen Prozessen eingesetzt und sind an eine oder mehrere Gegenelektrode(n) (wahlweise Anode(n) oder Kathode(n)) elektrisch leitend gekoppelt. Die Gegenelelektroden müssen metallischer oder nicht-metallischer, aber elektrisch leitender Natur sein. In dieser Anordnung wird zwischen den Elektroden ein Elektrolyt eingesetzt. Für den rein photovoltaischen Einsatz der Silicide kann bei geeigneter p-/n-Dotierung der Elektrodenmaterialien auf den Elektrolyten verzichtet und die Elektroden in direkten Kontakt gebracht werden.
  • Bei Verwendung als Teil einer photovoltaischen Anlage werden nicht dotierte oder dotierte (Beispiele von Dotierungen siehe unten) Silicide eingesetzt, die in elektrisch leitenden Kontakt gebracht werden. Dabei können zusätzlich auch andere photoelektrisch/photovoltaisch aktive Materialien eingesetzt werden, dies auch außerhalb des Systems als Lichtempfänger.
  • Die Silicide absorbieren selbst meist genügend solare oder künstliche Strahlungsenergie, ohne dass größere Oberflächenänderungen erforderlich sind, um eine Spaltung von Wasser zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff, oder zur gleichzeitigen oder getrennt ablaufenden Erzeugung von Elektrizität (Photovoltaik) zu erwirken.
  • Überraschenderweise wurde auch gefunden, dass die Qualität und Reinheit des verwendeten Wassers unbedeutend oder gar vernachlässigbar zur Durchführung der Titelprozesse sind, d. h. bezogen auf die Oxidation und Reduktion von Wasser und/oder zur gleichzeitigen oder getrennt ablaufenden Erzeugung von Elektrizität (Photovoltaik).
  • Die in dieser Anmeldung beanspruchte Reaktivität der Silicide bezüglich Spaltung von Wasser zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff und/oder zur gleichzeitigen oder getrennt ablaufenden Erzeugung von Elektrizität ist vorwiegend katalytischer Natur.
  • Weiterhin wurde gefunden, dass die Prozesse, die mit Siliciden für die Spaltung von Wasser zwecks Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff und/oder zur gleichzeitigen oder getrennten Erzeugung von Elektrizität (Photovoltaik) durchgeführt werden, auch mit Siliciden in immobilisierter Form betrieben werden können, d. h., dass diese Prozesse auch mit Verbindungen durchgeführt werden können, die an oder in polymeren Oberflächen oder Materialien, wie auch an oder in Gläsern oder Glas-ähnlichen Materialien wie auch An oder in anderen festen Oberflächen oder aber auch an Nanopartikel gebunden/fixiert sind und speziell, wenn diese Materialien elektrisch leitend, also ladungsleitend sind. Zudem können die Silicide als fester Verbund, vorzugsweise kristallin, vorliegen; diese können aber auch von amorpher Beschaffenheit sein.
  • Die vorangehend beschriebenen Prozesse können auch bei höheren oder tieferen Temperaturen als Raumtemperatur und hohen sowie geringen Lichtkonzentrationen durchgeführt werden.
  • Im Fall der Erzeugung von Elektrizität kann auch auf den Einsatz eines wässrigen/flüssigen Elektrolyten verzichtet werden und ein dickflüssiger, fester und/oder gelartiger Elektrolyt verwendet werden. Es kann bei geeigneter p-/n-Dotierung der Elektroden auch auf den Elektrolyten verzichtet werden und die Elektroden in direkten Kontakt gebracht werden.
  • Weiterhin wurde gefunden, dass die Ankopplung/Komplexierung/Anbringung/Anbindung eines Farbstoffes oder einer Agglomeration von Farbstoffen an Silicide sich vorteilhaft auf die Lichtabsorption und die Ladungstrennung und damit auf die Reaktivität dieser Verbindungen auswirkt (so genannte Farbstoff-sensibilisierte Reaktionen mit Halbleitern). Besonders eignen sich dafür Farbstoffe wie Perylene und Analoga davon. Diese Farbstoff-komplexierten Silicide können auch für thermisch geführte Reaktionen angewendet werden, dies auch bei höheren Temperaturen, da die Perylenfarbstoffe thermisch stabil sind.
  • Die vorangehend erwähnten höheren Temperaturen können auf elektrische Weise durch Erdwärme, Lichtenergie, Solarenergie, Heizungen, Mikrowellenentladung oder jede andere Quelle thermischer Energie erzeugt werden.
  • Weiterhin wurde gefunden, dass die Silicide für die Titelanwendungen individuell oder in Kombinationen von zwei oder mehr Siliciden eingesetzt werden können. Es ist auch möglich, die Titelprozesse mit einem oder mehreren Silicid(en) durchzuführen und dies bei gleichzeitiger Anwendung von zusätzlichen Halbleitermaterialien, die von nicht Silicid-artiger Struktur sind, wie z. B. Rutheniumdioxid (RuO2), Mangandioxid (MnO2), Wolframtrioxid (WO3) und ganz allgemein anderen Halbleitermaterialien, um die Titelprozesse zu unterstützen/fördern.
  • Weiterhin wurde gefunden, dass die Titelprozesse, die mit Siliciden, die mit Lithium, Natrium, Magnesium, Kalium, Kalzium, Aluminium, Bor, Kohlenstoff, Stickstoff, Silizium, Titan, Vanadium, Zirkon, Yttrium, Lanthan, Nickel, Mangan, Kobalt, Gallium, Germanium, Phosphor, Cadmium, Arsen, Technecium, alfa-SiH und den Lanthaniden bis zu 50 Gewichtsprozenten (bezogen auf die Silicide und Silicid-ähnlichen Verbindungen) dotiert/versetzt/legiert sind, unterstützt werden können. Als Dotierung (p- und n-Dotierung) kommen ganz allgemein die in der Photovoltaik üblichen Fremdatome in Frage, die eine andere chemische Wertigkeit als das umgebende Material haben.
  • Die neue Technologie, basierend auf den vorangehend beschriebenen Verwendungen von Siliciden kann beispielsweise folgende Anwendungen finden: Für neuartige Heizungssysteme, Brennstoffzellen-Technologie und/oder Erzeugung von Elektrizität ganz allgemein. Es finden sich Anwendung im terrestrischen, wie auch extraterrestrischen Bereich für sich bewegende sowie statische Konstruktionen und Vorrichtungen, dies, um diese Konstruktionen und Vorrichtungen, die bisher durch Vorrichtungen angetrieben werden, die konventionelle fossile Energiequellen zum Antrieb/Betrieb nutzen, zu ersetzen, unterstützen oder ergänzen.
  • Beispiele
  • Beispiel 1: Kristallines Titansilicid (TiSi2) in fester Form (,sputtering target', 5 cm Durchmesser) wird in einem Gefäß (Zylinderform und kühlbar mit freiem Gasraum, Reaktionstemperatur 25–30°C) positioniert und mit einer Gegenelektrode (z. B. IrO2 oder RuO2) elektrisch leitend verbunden.
  • Zwischen die Elektroden wird eine Membran aus beispielsweise Nafion oder Teflon angebracht, die nicht sauerstoff- und wasserstoffdurchlässig ist. Die Wasserphase wird mit einem Elektrolyten versetzt (beispielsweise mit Schwefelsäure auf pH 2 angesäuert) und in Längsrichtung der zylindrischen Apparatur belichtet (Weisslicht, 500–1000 W oder Sonnenlicht); dabei wird das Silicid belichtet. Die Gasanalysen werden mittels Gaschromatographie durchgeführt. Das verwendete Wasser kann über Ionentauschermaterial filtriert werden; es kann jedoch auch normales Wasser verwendet werden. Das Silicid dient in dieser Anordnung als Kathode (Wasserstoffentwicklung) und die Übergangsmetalloxide als Anode (Sauerstoffentwicklung). Zudem kann ein erheblicher elektrischer Stromfluss gemessen werden.
  • Beispiel 2: Anstelle der in Beispiel 1 erwähnten Silicide wurden auch andere Silicide, wie beispielsweise Cobaltsilicid (CoSi2), Platinsilicide (PtSi, Pt2Si), Titancarbosilicid (Ti3C2Si), Carbosilicid/poly-Carbosilicid (auch Siliziumcarbid/poly-Siliziumcarbid genannt (CSi/poly-CSi oder SiC/poly-SiC), Zirconsilicid (ZrSi2), oder Chromsilicid (CrSi2) verwendet. Die Reaktionen werden dabei wie in Beispiel 1 beschrieben, durchgeführt. Prinzipiell eignet sich für diese Anwendung jedes Silicid.
  • Beispiel 3: Gleiche experimentelle Anordnung wie in Beispiel 1 genannt, aber mit Titansilicid (TiSi2i) als Anode und Platin als Gegenelektrode (Kathode) durchgeführt. Dabei wird weniger Sauerstoff und Wasserstoff gebildet, aber ein erhöhter elektrischer Stromfluss gemessen, der beispielsweise für Antriebe und andere Energie-abhängige Systeme verwendet werden kann.
  • Beispiel 4: Wenn in den Prozessen, die in den Experimenten 1 und 2 beschrieben sind, TiSi als Kathode eingesetzt wird, so wird keine Gasentwicklung beobachtet, aber ein erheblicher elektrischer Stromfluss gemessen.
  • Beispiel 5: Beispiel 4 kann auch ohne Wasserkontakt durchgeführt werden. Dabei muss anstelle der wässrigen Schwefelsäure als Elektrolyt ein Elektrolyt-Gel als Kontakt zwischen den Elektroden eingesetzt werden.
  • Beispiel 6: Wenn in den Prozessen, die in den Experimenten 1 und 2 beschrieben sind, höhere Reaktionstemperaturen (45–100°C) angewendet werden, wird eine lebhaftere Gasentwicklung beobachtet. Praktischerweise können diese Temperaturen bei Verwendung von Flachbett-Solarreaktoren und Sonnenlicht als Strahlungsquelle erreicht werden.
  • Beispiel 7: Ein beispielsweise in Chloroform (aber nicht in Wasser) lösliches Perylen, wie beispielsweise das N,N'-Bis-phenyl-ethyl-perylen-3,4,9,10-tetracarboxyl-diimid (2 g), wird gelöst (in 5 ml Chloroform), mit Titansilicid in fester Form versetzt (TiSi2 oder Ti5Si3) und während 2 Stunden bei Raumtemperatur gerührt und belichtet (Beispiel 1). Nach Entfernen des Lösungsmittels im Vakuum, wird der Rückstand entsprechend den Bedingungen, wie sie in den Beispiel 1 beschrieben sind, für die Weiterreaktion eingesetzt. Dabei wurde eine erhöhte Wasserstoff- und Sauerstoff-Entwicklung festgestellt.
  • Beispiel 8: Alternativ zu den in den Beispielen 1 und 2 beschriebenen Reaktionsbedingungen, können Flachbett-Solarreaktoren oder ein Sonnenlichtkonzentrierendes System (Parabolrinnen- oder eine Fresneloptik) eingesetzt werden. Ein Aufheizen des Silicids auf beispielsweise 200°C unter diesen Bedingungen ist für den Erfolg der Titelreaktionen problemlos und sogar prozessfördernd. Dies gilt auch für die Anwendung konzentrierter Lichtenergie.
  • Beispiel 9: Das Silicid (beispielsweise TiSi2) wurde auf der Basis von Standardtechniken mit Pt versetzt (dotiert) und eine Reaktion in Analogie zu Beispiel 1 durchgeführt. Dabei wurde eine höhere Gasausbeute und ein erhöhter elektrischer Stromfluss als in Beispiel 1 gemessen.
  • Beispiel 10: Sowohl die Wasserspaltung zur Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff, wie auch die Erzeugung von Elektrizität gelingt bei externem Einsatz eines Silizids (beispielsweise als Platte), elektrisch verbunden mit einer Platinelektrode und einer Übergangsmetallelektrode als Gegenelektrode. Dabei können die Elektrodenräume für die Wasserspaltung durch eine Membrane (Nafion oder Teflon) getrennt sein und ein Elektrolyt, wie in Beispiel 1 erwähnt, eingesetzt werden.
  • Beispiel 11: Für die Erzeugung von Elektrizität (Photovoltaik) kann auch auf den Wasserkontakt verzichtet werden und in Analogie zu Beispiel 5 ein Elektrolyt-Gel zwischen den Elektroden eingesetzt werden.
  • Beispiel 12: Wie Beispiel 11 durchgeführt, jedoch mit mehreren Elektroden in Reihe (elektrisch verbunden) und mit einem Elektrolyten versehen (wie Beispiele 5 oder 11). Als Elektroden wurden TiSi/beta-FeSi2/RuO2)alfa-FeSi2) eingesetzt.
  • Beispiel 13: Bei geeigneter p-/n-Dotierung der Elektroden kann auf den Einsatz eines Elektrolyten verzichtet werden und die Elektroden in direkten Kontakt bei elektrischer Verbindung gebracht werden. So wurde für die p-Dotierung Aluminium auf TiSi2 und für die n-Dotierung Phophor auf TiSi gewählt und die beiden Schichten in Kontakt gebracht. Es wurde ein erheblicher Stromfluss gemessen. Es können auch mehrere Schichten in Kontakt gebracht werden, wobei ein merklich erhöhter Stromfluss gemessen wird, wenn diese Anordnung künstlichem Licht wie auch der Solarstrahlung ausgesetzt wird.

Claims (21)

  1. Verfahren zur photoelektrochemischen Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff, sowie zur gleichzeitigen oder getrennt ablaufenden photoelektrischen/photovoltaischen Erzeugung von Elektrizität, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser mit Siliciden (Siliziden) bei gleichzeitiger Anwendung von Licht in Kontakt gebracht wird oder aber im Fall der ausschließlichen Erzeugung von Elektrizität auch auf den Wasserkontakt verzichtet werden kann.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Silicide und Silicid-ähnlichen Verbindungen zu den metallischen Siliciden und/oder nicht-metallischen Siliciden gehören, wie Borsilicide, Kohlenstoff-haltige Silicide und Stickstoff-haltige Silicide, wie beispielsweise Titansilicide (TiSi2, Ti5Si3), Nickelsilicid (Ni2Si), Eisensilicide (FeSi2, FeSi), Thalliumsilicid (ThSi2), Borsilicid auch Siliziumtetraborid genannt (B4Si), Cobaltsilicid (CoSi2), Platinsilicide (PtSi, Pt2Si), Mangansilicid (MnSi2), Titancarbosilicid (Ti3C2Si), Carbosilicid/poly-Carbosilicid (CSi/poly-CSi) auch Siliziumcarbid/poly-Siliziumcarbid genannt, Iridiumsilicid (IrSi2), Nitrosilicid auch Siliziumnitrid genannt (N4Si3), Zirconsilicid (ZrSi2), Tantalsilicid (TaSi2), Vanadiumsilicid (V2Si) oder Chromsilicid (CrSi2), d. h. Verbindungen, die Silizium enthalten und der Molekülformel RSix entsprechen, wobei R einen organischen, metallischen, organometallischen und/oder anorganischen Rest oder eine Mischung davon darstellt und Si steht für das Element Silicium (Silizium), mit steigender Anzahl Atome X > 0, steht.
  3. Verfahren nach allen vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Silicide mindestens ein Siliziumatom mit erhöhter Elektronendichte enthalten.
  4. Verfahren nach allen vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Silicide als Katalysator und Empfänger von künstlichem wie auch solarem Licht, wie auch der thermischen Anteile der künstlichen und/oder solaren Strahlung in einem photoelektrochemischen Prozess wie beispielsweise der Wasserspaltung und/oder in einem photoelektrischen/photovoltaischen Prozess zur Erzeugung von Elektrizität dienen können.
  5. Verfahren nach allen vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Silicide als Elektrode dienen und durch Einsatz eines Elektrolyten in ein elektrisch leitendes System mit einer oder mehreren Gegenelektrode(n) verbunden sind.
  6. Verfahren nach allen vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Silicide gleichzeitig oder getrennt von der Wasserspaltung elektrischen Strom liefern, wobei die Gegenelektrode ein Metall, Übergangsmetalle, Metalloxide, Übergangsmetalloxide, nicht-metallische Strukturen und/oder auch eine Mischstruktur sein kann, alle diese Gegenelektroden sollen jedoch elektrisch leitend sein.
  7. Verfahren nach allen vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Silicide als Lichtempfänger auch außerhalb der photoelektrochemischen Anlage zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser, sowie zur gleichzeitigen oder getrennt ablaufenden photoelektrischen/photovoltaischen Erzeugung von Elektrizität, befinden können.
  8. Verfahren nach allen vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die photochemische Reaktion zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser, sowie zur gleichzeitigen oder getrennt ablaufenden Erzeugung von Elektrizität, und in Gegenwart von Siliciden als Elektrodenmaterial und/oder Lichtsammelmaterial als Teil eines photoelektrochemischen oder photoelektrischen/photovoltaischen Prozesses abläuft. Dabei werden die Silicide vorzugsweise in kristalliner Form verwendet und die Prozesse mit künstlichem Licht und/oder Sonnenlicht in konzentrierter und/oder diffuser Form betrieben.
  9. Verfahren nach allen vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Silicide als Elektrode dienen und mit einer oder mehreren Gegenelektroden elektrisch leitend verbunden sind, wobei bei rein photolektrischem/photovoltaischem Einsatz und geeigneter Dotierung der Silicide und Gegenelektroden auf den Einsatz eines Elektrolyten verzichtet werden kann und die Silicide und Gegenelektroden in direkten Kontakt gebracht werden können.
  10. Verfahren nach allen vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle und/oder zusätzliche thermische Energiequelle Energie im Bereich von 200–15000 nm abstrahlt.
  11. Verfahren nach allen vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtabsorption der Silicide verstärkt wird, indem ein Farbstoff oder eine Ansammlung von Farbstoffen an die Silicide angekoppelt/komplexiert/angebracht/gebunden wird.
  12. Verfahren nach allen vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Farbstoffe Perylene und Perylen-Analoga sind.
  13. Verfahren nach allen vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass eine höhere Reaktionstemperatur und/oder künstliche und/oder solare Lichtkonzentration und/oder Lichtintensität sich vorteilhaft auf den Verlauf des Verfahrens auswirkt.
  14. Verfahren nach allen vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlich eingebrachte thermische Energie zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser und/oder zur gleichzeitigen oder getrennten ablaufenden Erzeugung von Elektrizität von einer photochemischen Lichtquelle, von künstlichen und/oder solaren Lichtquellen und/oder von anderen Vorrichtungen, die thermische Energie erzeugen, herrührt, wie beispielsweise elektrische Heizungssysteme, Mikrowellensysteme und/oder Erdwärme und/oder anderen Energiequellen.
  15. Verfahren nach allen vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Silicid oder mehrere Silicide sich aktiv an den Verfahren beteiligen und zusätzlich in ihrer Reaktivität durch andere Halbleitermaterialien unterstützt werden, die keine Silicid-Struktur aufweisen, wie beispielsweise Rutheniumdioxid (RuO2), Mangandioxid (MnO2), Wolframtrioxid (WO3), Iridiumoxid (IrO2), Rhodiumoxid (RhO2) und andere halbleitende Materialien, um die Verfahren nach allen vorangehenden Ansprüchen aktiv zu unterstützen.
  16. Verfahren nach allen vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Silicide in immobilisierter Form verwendet werden können, d. h. wenn diese Verbindungen in polymeren Materialien (wie Polyamid, Makrolon oder Plexiglas), Oberflächen, Gläsern oder Glas-ähnlichen Materialien eingebettet oder an polymeren Materialien, Oberflächen, Gläsern oder Glas-ähnlichen Materialien angebracht/befestigt sind und dies speziell wenn die polymeren und/oder Glas-artigen Materialien elektrisch/elektronisch/ladungsleitend sind.
  17. Verfahren nach allen vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Silicide nach Oberflächenbehandlung mit einem polymeren Material (wie Polyamid, Makrolon oder Plexiglas) oder Glas oder einem Glas-ähnlichen Material angewendet werden und dies speziell wenn die polymeren und/oder Glas-artigen Materialien elektrisch/elektronisch/ladungsleitend sind.
  18. Verfahren nach allen vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Silicide und Gegenelektroden in Kontakt gebracht werden, dotiert/legiert werden mit Lithium, Natrium, Magnesium, Kalium, Calcium, Aluminium, Bor, Kohlenstoff, Stickstoff, Silizium, Titan, Vanadium, Zircon, Yttrium, Lanthan, Nickel, Mangan, Cobalt, Gallium, Germanium, Indium, Arsen, Phosphor, den Lanthaniden oder anderen in der Photovoltaik üblichen p- und n-Dotieratomen, dies in elementarer und/oder ionischer/radikalischer Form dieser Elemente und dies bis zu 50 Gewichtsprozente bezogen auf die Silicide und Gegenelektrodenmaterialien.
  19. Verfahren nach allen vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Silicide als Teil eines allgemeinen Prinzips, welches die Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser und/oder zur gleichzeitigen oder getrennt ablaufenden Erzeugung von Elektrizität vereinigt.
  20. Verfahren nach allen vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass diese neue Technologie Anwendungen finden kann für zum Beispiel Erzeugung/Lieferung von Energie im allgemeinen, zum Betrieb von Energie-liefernden/-abhängigen Systemen, für Heizsysteme, für die Brennstoffzellen-Technologie, elektrizitätsabhängige oder jede andere Technologie, die von Energiezufuhr abhängig ist, zusammenfassend also Anwendungen für zum Beispiel irdischen und außerirdischen Verkehr und statische Konstruktionen und Vorrichtungen, wie auch Vorrichtungen für das Wohlergehen der Menschheit einschließlich das Leben, Geschäftsleben und Gesundheit.
  21. Verfahren nach allen vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie-liefernden Systeme für solche Konstruktionen und Vorrichtungen, die bisher durch Vorrichtungen angetrieben/betrieben werden, die auf der Verwendung von Energie mit fossilem Ursprung beruhen, durch die Verfahren nach den vorangehenden Ansprüchen ersetzt oder unterstützt oder ergänzt werden.
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