Eickhoff-Preis Neue Materialien für die Wasserspaltung mit Licht
Tausende Werkstoffe hat Helge Stein während seiner Promotion getestet – mit preiswürdigem Ergebnis.
Für seine Suche nach stabilen und effizienten Materialien für die Wasserstoffproduktion mittels Sonnenlicht ist Dr. Helge Stein mit dem Gebrüder-Eickhoff-Preis 2018 ausgezeichnet worden. In seiner Promotion am Lehrstuhl für Werkstoffe der Mikrotechnik der Ruhr-Universität Bochum testete er über 1.000 Materialien mit Hochdurchsatzverfahren. Um die großen Datenmengen auswerten zu können, entwickelte er außerdem neue Künstliche-Intelligenz-Algorithmen. Die mit 3.000 Euro dotierte Auszeichnung nahm der Forscher am 6. Juli 2018 in der Fabrik der Gebrüder Eickhoff entgegen.
„Wenn wir unseren Energiebedarf zu 100 Prozent mit erneuerbaren Energien decken wollen, benötigen wir auch chemische Energieträger wie Wasserstoff“, sagt Helge Stein. Dieser kann zum Beispiel durch photoelektrochemische Wasserspaltung gewonnen werden, bei der Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten wird. Findet die Reaktion an einer geeigneten Oberfläche statt, kann der Prozess mit Lichtenergie betrieben werden. „Dafür bedarf es aber neuer Werkstoffe“, so Stein.
Stabile Materialien beschleunigt entdecken
Die größte Herausforderung dabei ist, ein Material zu finden, dass während der sogenannten photoelektrochemischen Wasserspaltung stabil bleibt. „Die meisten effizienten Werkstoffe wie Kupferoxid korrodieren innerhalb von Minuten“, erklärt Stein. „Für eine kommerzielle Anwendung müssten sie aber über Jahrzehnte hinweg stabil bleiben.“
Um die Suche nach geeigneten Katalysatormaterialien zur Wasserspaltung zu beschleunigen, nutzte der Forscher Methoden der kombinatorischen Materialforschung. Hierbei werden mehrere Hundert Materialien gleichzeitig auf einem Substrat abgeschieden und automatisiert durch Roboter vermessen. Einige der getesteten Legierungen, etwa ein Kupfer-Titan-Silizium-Oxid oder ein Aluminium-Chrom-Eisen-Oxid, zeigten bereits vielversprechende Eigenschaften.
Datenmengen handhabbar machen
Bei kombinatorischen Verfahren fallen enorme Datenmengen an, deren Auswertung mit herkömmlichen Methoden Monate gedauert hätte. Helge Stein entwickelte neue Algorithmen, die die Analysezeit auf wenige Stunden verkürzten. Entscheidend dabei ist, dass der Mensch und die Künstlichen-Intelligenz-Algorithmen zusammenarbeiten. Die Auswertungen geben Aufschluss über die Beziehung von Werkstoffeigenschaften und Kristallstruktur.
Die Doktorarbeit von Helge Stein trägt den Titel „Combinatorial synthesis and high-throughput investigation of thin-film photocathodes and catalysts for solar water splitting”. Nach dem erfolgreichen Abschluss wechselte er zum California Institute of Technology (Caltech) in die USA. Dort forscht er als Materials Data Engineer an der Verbindung zwischen Experiment und künstlicher Intelligenz am Joint Center for Artifical Photosynthesis.
