Energie aus Licht und Wasser
Neue photokatalytische Elektrode für die saubere Wasserstoffproduktion aus Wasser
Mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzellen und Solarenergie sind die Hoffnungsträger für eine umweltfreundlichere und ressourcenschonendere Energieversorgung von morgen. Als besonders „sauber“ gilt die Kombination von beidem: die Erzeugung von Wasserstoff durch Spaltung von Wasser mit Hilfe von Sonnenlicht. Bisherige Ansätze krankten allerdings an hohen Kosten und einer begrenzten Lebensdauer der katalytischen Systeme. Ein Team um Thomas Nann und Christopher J. Pickett von der University of East Anglia (Norwich, UK) stellt in der Zeitschrift Angewandte Chemie jetzt eine effizient arbeitende, robuste Photoelektrode vor, die nur aus gängigen, preiswerten Materialien aufgebaut ist.
Das neue System besteht aus einer Goldelektrode, die Schicht für Schicht mit Indiumphosphid (InP)-Nanopartikeln überzogen wird. Anschließend bringen die Forscher einen Eisen-Schwefel-Komplex [Fe2S2(CO)6] in die Schichtanordnung ein. In Wasser getaucht und unter Bestrahlung mit Licht und einer relativ geringen elektrischen Spannung produziert dieses photoelektokatalytische System Wasserstoff mit einer Effizienz von 60%. „Diese vergleichweise hohe Effizienz ist ein Durchbruch“, sagt Nann.
Folgenden Mechanismus schlagen die Forscher für die Reaktion vor: Die einfallenden Lichtteilchen werden von den InP-Nanokristallen eingefangen und regen Elektronen im InP an. Im diesem angeregten Zustand können die Elektronen auf die Eisen-Schwefel-Komplexe übertragen werden. In einer katalytischen Reaktion geben die Eisen-Schwefel-Komplexe die Elektronen weiter an Wasserstoffionen (H+) des umgebenden Wassers, die dann als Wasserstoff (H2) frei werden. Die Goldelektrode sorgt indes für den nötigen Nachschub an Elektronen für die InP-Nanokristalle.
Anders als andere aktuelle Ansätze kommt das neue System ohne organische Moleküle aus, die in angeregte Zustände versetzt werden müssen und dabei nach und nach degradieren. Dieser Vorgang limitiert die Lebensdauer von Systemen mit organischen Komponenten. Das neue System ist rein anorganisch und daher wesentlich langlebiger. „Unser neu entwickeltes photokatalytisches Elektrodensystem ist robust, effizient, kostengünstig und frei von toxischen Schwermetallen“, so Nann. „Es könnte eine vielversprechende Alternative für die industrielle Wasserstoffproduktion eröffnen.“
Originalveröffentlichung: Thomas Nann et al.; "Water Splitting by Visible Light: A Nanophotocathode for Hydrogen Production"; Angewandte Chemie 2010
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