Wasserstoff aus Sonne, Wasser und Nanokristallen
Wissenschaftler haben ein zentrales Problem bei der Umwandlung von Licht in Wasserstoff mit Hilfe von Nanokristallen und „molekularen Shuttles“ gelöst.
Photokatalytische Wasserstoffbildung an Nanokristallen (gelb).
Grafik: C. Hohmann, NIM
Die Sonne liefert pro Jahr mehr als das 10.000-fache des aktuellen Energiebedarfs der Menschheit. Bisher ist es jedoch nicht möglich, große solare Energiemengen effizient zu speichern. Ein vielversprechender Ansatz ist die Photokatalyse, in deren Verlauf Wasser durch Licht zu Wasserstoff umgewandelt wird. Das Gas ist ein hervorragender Energiespeicher und sein Verbrennungsprodukt ist wiederum Wasser und somit komplett frei von Treibhausgasen.
Bei ihren Experimenten mit halbleitenden Nanokristallen ist es Physikern um Professor Jochen Feldmann (LMU München) mit Chemikern um Professor Andrey Rogach (CityUniversity Hong Kong) gelungen, die Ausbeute an Wasserstoff erheblich zu erhöhen. Hierbei setzten sie winzige Moleküle als „molekulare Shuttles“ ein, um den Ladungsstrom effizienter zu machen. Ihre Ergebnisse werden in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Materials präsentiert.
Ein Lichtteilchen, zwei Ladungen, zwei Aufgaben
Das Prinzip der Photokatalyse erscheint auf den ersten Blick einfach. Ein Lichtteilchen (Photon) regt eine negative Ladung (Elektron) und eine positive Ladung (Loch) zum Beispiel in einem halbleitenden Nanokristall an. Elektron und Loch müssen sich räumlich trennen, damit das Elektron aus Wasser Wasserstoff und das Loch aus Wasser Sauerstoff erzeugen oder von anderen Molekülen aufgenommen werden kann. Sobald der halbleitende Nanokristall mit kleinsten Metallpartikeln (häufig das kostspielige Platin) dekoriert wird, erledigt das auf das Metallpartikel überspringende Elektron die Wasserstoffproduktion problemlos. Auf Dauer gelingt den Elektronen dieses aber nur, wenn auch die positiv geladenen Löcher effizient vom Nanokristall abgeführt werden und so eine Rekombination verhindert wird. Hier gab es bisher große Schwierigkeiten. Damit sich die Nanokristalle in Wasser lösen, werden sie mit polaren Molekülen (Liganden) umgeben. Dieser isolierende „Ligandenwald“ hindert das Loch allerdings daran, zu dem entsprechenden Fängermolekül wie Wasser oder einem größeren anderen Molekül zu gelangen.
Hier ist vielleicht der Vergleich zum Fliegen hilfreich: Flugzeuge sind aus räumlichen Gründen nicht in der Lage, Passagiere einzeln in den Hotels einer Stadt abzuholen. Hierfür werden kleinere Shuttlebusse eingesetzt, die diesen Kurzstrecken-Transport effizient ausführen können. Analog setzten die Wissenschaftler aus München und Hong Kong kleinste Moleküle ein, die den Ligandenwald durchdringen, das Loch von der Oberfläche der Kristalle abholen und zu größeren Molekülen transportieren können. Passende kleine „Shuttles“ konnten die Forscher in einfacher Weise durch Erhöhung des pH-Werts der wässrigen Lösung in Form von Hydroxyl-Ionen bereitstellen. Dieses führte zu einer drastisch erhöhten Wasserstoffproduktion. „Ich war verblüfft, als ich bei erstmaliger Erhöhung des pH-Wertes mit bloßem Auge Wasserstoffbläschen aufsteigen sah“, erzählt Thomas Simon, Doktorand am Lehrstuhl von Prof. Feldmann, von seinen Experimenten.
Stabiles und kostengünstiges System
Es zeigten sich weitere Vorteile dieses neuen Systems: Zum einen konnte die Langzeitstabilität entscheidend erhöht werden. Zum anderen wurde hier statt des kostspieligen Platins erstmals das weitaus preiswertere Nickel als Katalysator eingesetzt. „Die Entdeckung des neuen Mechanismus könnte zu ganz neuen Ansätzen in der photokatalytischen Wasserstoffproduktion führen“, meint der Leiter der Gruppe „Photokatalyse“, Dr. Jacek Stolarczyk.
Professor Jochen Feldmann, der auch Leiter des Exzellenzclusters NIM ist, betont die engagierte Zusammenarbeit der einzelnen Forschungsgruppen: „Unsere Arbeit konnte nur in einem interdisziplinären Team gelingen und wurde durch das Exzellenzcluster NIM und den bayerischen Forschungsverbund „Solar Technologies go Hybrid“ (SolTech) großzügig unterstützt.“
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