Wasserstoff gilt als Energieträger der Zukunft – sofern er „grün“, also mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen, hergestellt wird. Forscher in Wien haben bereits eine einfache Methode entwickelt, um Wasser mit Licht in Sauerstoff und Wasserstoff zu trennen. Dazu kombinieren sie zwei Katalysatoren aus relativ preiswerten Materialien auf einem Halbleiter im atomaren Maßstab, berichteten sie im Fachblatt „ACS Catalysis“ der American Chemical Society (ACS).
Trennung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff mit Licht
In Gegenwart eines geeigneten Katalysators kann Sonnenlicht Wasser (H2O) in Sauerstoff (O2) und Wasserstoff (H2) trennen. Diese sogenannte photokatalytische Trennung von Wasser wurde vor genau 50 Jahren im Jahr 1972 von den japanischen Forschern Akira Fujishima und Kenichi Honda entdeckt. Sie zeigten, dass Titandioxid als Katalysator verwendet werden kann, um H2O von H2 und O2 zu trennen, wenn es Sonnenlicht ausgesetzt wird.
Obwohl seitdem weltweit an diesem Verfahren geforscht wird, konnte seine Effizienz noch nicht so weit gesteigert werden, dass es für eine effiziente Wasserstoffproduktion im industriellen Maßstab genutzt werden kann. Dies liegt unter anderem daran, dass weder der Prozessablauf noch die Wirkungsweise des Katalysators so verstanden werden, dass der Katalysator gezielt in Richtung höherer Effizienz optimiert werden kann.
Bei der photokatalytischen Wassertrennung gehe es um „zwei Aufgaben auf einmal“, erklärte Alexei Cherevan vom Institut für Materialchemie der TU Wien in einer Sendung. Einerseits müssen die Sauerstoffatome im Wasser in O2-Moleküle umgewandelt werden, andererseits verbinden sich die verbleibenden Wasserstoffionen zu H2-Molekülen.
Dazu verankern Wiener Forscher kleine anorganische Cluster, die nur aus wenigen Atomen bestehen, auf einer lichtabsorbierenden Unterstruktur wie Titanoxid. Cluster zur Herstellung von Sauerstoffmolekülen bestehen aus Kobalt, Wolfram und Sauerstoff, solche zur Herstellung von Wasserstoffmolekülen aus Schwefel und Molybdän.
„Die Energie des absorbierten Lichts bewirkt, dass sich in Titanoxid frei bewegliche Elektronen und frei bewegliche positive Ladungen bilden. Diese Ladungen ermöglichen dann Atomclustern, die auf dieser Oberfläche sitzen, die Trennung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu erleichtern“, sagte Cherevan. .
Der Vorteil der von TU-Wissenschaftlern entwickelten Methode liegt ihnen zufolge darin, dass sie die genaue Struktur von Clustern mit atomarer Präzision bestimmen und so ein vollständiges Verständnis des Katalysezyklus erlangen können. Nanopartikel, die von anderen Forschungsgruppen verwendet werden, können hingegen viele verschiedene Oberflächenformen und -eigenschaften annehmen. Außerdem ist die Partikelgröße schwer zu kontrollieren und ihre Atome sind nicht immer gleich angeordnet. Das bedeutet, dass der katalytische Prozess nicht im Detail erklärt werden kann.
„Wir wollen uns nicht nur auf Versuch und Irrtum verlassen und verschiedene Nanopartikel testen, bis wir die beste Methode gefunden haben – wir wollen auf atomarer Ebene klären, welcher der optimale Katalysator ist“, erklärte Cherevan. Nachdem nun nachgewiesen wurde, dass sich die ausgewählten Materialien tatsächlich zur Wasserabscheidung eignen, wollen die Forscher den genauen Aufbau der Cluster weiter verbessern, um die Effizienz zu steigern.
Service: Internet: und TED Alexey Cherevans Vortrag über künstliche Photosynthese:
(APA/rot, Foto: APA/TU Wien)
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