Wenn erneuerbare Energiequellen Wasserstoff produzieren, dann gilt er als "grün" und dürfte eine wichtige Rolle in klimaschonenderer Energieherstellung spielen. Dies könnte beispielsweise durch Sonnenenergie bewerkstelligt werden, wie auch ein Forschungsteam der Technischen Universität Wien demonstriert. In einem relativ einfachen Verfahren könne Wasser (H2O), das aus einem Sauerstoff- und zwei Wasserstoffatomen besteht, durch die Einwirkung von Licht in seine Bestandteile aufgespalten werden, schreibt das Team im Fachjournal "ACS Catalysis" der American Chemical Society (ACS).
Damit Sonnenlicht diese Reaktion bewirken kann, ist ein Katalysator nötig. Das wussten schon die japanischen Forscher Akira Fujishima und Kenichi Honda, die 1972 – vor genau 50 Jahren – die sogenannte photokatalytische Wasserspaltung entdeckten. Sie zeigten, dass man mit Titandioxid als Katalysator unter Einstrahlung von Sonnenlicht H2O in H2 und O2 aufspalten kann.
Auch wenn weltweit seither an diesem Prozess geforscht wird, konnte seine Effizienz bisher nicht so sehr gesteigert werden, dass sich damit Wasserstoff im industriellen Maßstab effizient herstellen ließe. Einer der Gründe dafür ist, dass weder der Prozessablauf noch die Wirkungsweise des Katalysators so verstanden sind, um den Katalysator gezielt in Richtung größere Effizienz zu optimieren.
Zwei Aufgaben gleichzeitig
Bei der photokatalytischen Wasserspaltung habe man es "mit zwei Aufgaben gleichzeitig zu tun", erklärt Alexey Cherevan vom Institut für Materialchemie der Technischen Universität (TU) Wien in einer Aussendung. Einerseits müssten die Sauerstoffatome des Wassers in O2-Moleküle umgewandelt werden, andererseits die übrig bleibenden Wasserstoff-Ionen sich zu H2-Molekülen verbinden.
Um dies zu erreichen, verankerte das Wiener Forschungsteam winzige anorganische Cluster, die nur aus einer kleinen Zahl von Atomen bestehen, auf einer lichtabsorbierenden Unterstruktur wie Titanoxid. Die Cluster für die Herstellung der Sauerstoffmoleküle bestehen aus Kobalt, Wolfram und Sauerstoff, jene für die Wasserstoffmolekül-Produktion aus Schwefel und Molybdän.
"Die Energie des absorbierten Lichts führt dazu, dass im Titanoxid frei bewegliche Elektronen und frei bewegliche positive Ladungen entstehen. Diese Ladungen ermöglichen dann den Atomclustern, die auf dieser Oberfläche sitzen, die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu erleichtern", sagt Cherevan.
Nicht auf Versuch und Irrtum verlassen
Der Vorteil der von den TU-Forschenden entwickelten Methode ist ihren Angaben zufolge, dass sie die exakte Struktur der Cluster mit atomarer Präzision festlegen und dadurch ein vollständiges Verständnis des Katalysekreislaufs gewinnen können. Die von anderen Forschungsgruppen verwendeten Nanopartikel könnten dagegen ganz unterschiedliche Formen und Oberflächeneigenschaften annehmen. Zudem sei die Größe der Partikel nur schwer zu kontrollieren und deren Atome nicht immer gleich angeordnet. Damit könne man den Katalyseprozess nicht im Detail erklären.
"Wir wollen uns nicht einfach auf Versuch und Irrtum verlassen und unterschiedliche Nanopartikel ausprobieren, bis wir die beste Methode gefunden haben – wir wollen auf atomarer Ebene klären, was der optimale Katalysator ist", erklärt Cherevan. Nachdem nun gezeigt wurde, dass die ausgewählten Materialien tatsächlich zum Aufspalten von Wasser geeignet sind, will das Team die genaue Struktur der Cluster noch weiter verbessern, um die Effizienz zu erhöhen. (red, APA, 1.6.2022)