Fotokatalyse 20.07.2023, 07:00 Uhr

Wasserstoffproduktion: Neuer Katalysator knackt Effizienzrekord

Forschende der TU Wien haben ein neues Material vorgestellt, das den Weg ebnen könnte für Wasserstoff als Energieträger. Denn es spaltet Wassermoleküle allein mithilfe von Sonnenlicht. Der Clou: Dieser Fotokatalysator arbeitet ausgesprochen effizient.

Wasserstoff

Wasserstoff kann aus Wassermolekülen herausgelöst werden.

Foto: vinkfan/panthermedia.net

Viele Fachleute setzen ihre Hoffnungen in Wasserstoff – er könnte einer der wichtigsten Faktoren für die Energiewende werden. Schließlich lässt sich beispielsweise Energie aus erneuerbaren Quellen hervorragend über ihn speichern. Zwar gibt es derzeit noch einige Herausforderungen, die bewältigt werden müssen, aber daran arbeiten zahlreiche Forschungsteams mit Hochdruck: Forschende der TU Wien haben aktuell einen geschichteten Fotokatalysator vorgestellt. Mit ihm wäre es möglich, Wasserstoff aus Wasser herzustellen – das gelingt über die Elelektrolyse zwar auch, aber der neue Weg soll nachhaltiger und effizient sein.

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Wasserstoffproduktion ohne Elektrolyse

Das Team um Dominik Eder, Professor am Institut für Materialchemie (TU Wien) hat sich ein großes Ziel gesetzt: Die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen wollen Verfahren entwickeln, mit denen sich unkompliziert und vor allem nachhaltig Wasserstoff gewinnen lässt. Ein Ansatz ist die Fotokatalyse. Dabei handelt es sich um eine chemische Reaktion, die durch einstrahlendes Sonnenlicht ausgelöst wird. Zusätzlich wird in diesem Fall noch ein Katalysator benötigt. Mit diesen beiden Komponenten ist es möglich, aus Wassermolekülen den Wasserstoff zu lösen.

Anders gesagt: Aus Wasser und Licht wird ein wertvoller Energieträger, und das ganz ohne externe Stromquelle. Denn es ist allein die Energie des Sonnenlichts, die der Katalysator nutzt, um die Wassermoleküle aufzuspalten. Das Ganze funktioniert zudem bei Raumtemperatur und normalem Umgebungsdruck. Es müssen dementsprechend keine besonderen Bedingungen geschaffen werden. Das klingt zu schön, um wahr zu sein. Es gibt aber auch bei diesem Verfahren eine große Herausforderung – die Forschenden benötigen einen leistungsfähigen Fotokatalysator.

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Problematische Eigenschaften herkömmlicher Fotokatalysatoren

Das Prinzip der Fotokatalyse ist schon lange bekannt, aber bislang war es in der Regel nicht effizient genug, weil die Katalysator-Materialien mit Schwachstellen behaftet sind. Als sehr viel versprechend gelten vor allem metallorganische Gerüste, sogenannte (MOFs). Sie bestehen aus molekularen anorganischen Bausteinen, die durch organische Verbindungsmoleküle zusammengehalten werden. Gemeinsam bilden sie hochporöse 3D-Netzwerke, die eine große Oberfläche und hervorragende Ladungstrennungseigenschaften aufweisen.

Allerdings funktionieren die meisten MOFs nur dann als Katalysator, wenn sie UV-Licht ausgesetzt werden. Im ersten Schritt veränderten die Forschenden daher ihre organischen Komponenten so lange, bis sie sichtbares Licht absorbieren konnten. Das funktionierte tadellos – und führte zum nächsten Problem: Durch diese Änderungen nimmt die Mobilität der Elektronen ab. Eine weitere Einschränkung kommt hinzu. „MOFs sind zwar sehr gut geeignet, um Ladungsträger an den organisch-anorganischen Grenzflächen zu trennen, aber ihre effiziente Extraktion für katalytische Anwendungen bleibt eine Herausforderung“, sagt Dominik Eder.

Wasserstoff entsteht durch Fotokatalysator auf Titanbasis

Etwas besser funktioniert das Prinzip, wenn als Fotokatalysatoren für die Wasserstoff-Produktion MOFs mit Schichtstrukturen eingesetzt werden. Die geschichteten Strukturen sind nicht porös, was die katalytisch aktive Fläche auf die äußere Oberfläche der Partikel reduziert. „Daher mussten wir einen Weg finden, um diese Partikel so klein wie möglich zu machen“, erklärt Eder. Dafür entwickelten die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen einen neuen Syntheseweg. Sie wollten vermeiden, dass es durch die Veränderungen zu Defekten in der Struktur kam, die wiederum die Extraktion der Ladung hätten verlangsamen können.

Für den neuen Herstellungsweg haben die Forschenden mit Kollegen und Kolleginnen verschiedener Universitäten zusammengearbeitet. Im Ergebnis sind innovative geschichtete MOFs auf der Grundlage von Titan entstanden. Sie haben eine kubische Form und sind nur wenige Nanometer groß.

Im Praxistest hat sich der neue Fotokatalysator bereits bewährt – nach Angaben der Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen hat er Rekordwerte bei der fotokatalytischen Wasserstoffproduktion unter Einwirken von sichtbarem Licht erzielt. Für das Forschungsteam ist damit noch lange nicht Schluss. Die Fachleute sind bereits dabei, weitere MOFs zu entwickeln.

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Ein Beitrag von:

  • Nicole Lücke

    Nicole Lücke macht Wissenschaftsjournalismus für Forschungszentren und Hochschulen, berichtet von medizinischen Fachkongressen und betreut Kundenmagazine für Energieversorger. Sie ist Gesellschafterin von Content Qualitäten. Ihre Themen: Energie, Technik, Nachhaltigkeit, Medizin/Medizintechnik.

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