Mehr Wasserstoff mit Sonnenlicht

Genoppte Nanodrähte aus Titandioxid spalten Wassermoleküle effizienter
Solarer Wasserstoff: Hauchdünne Säulen aus Titandioxid, besetzt mit Nanokügelchen aus Bismutvanadat können Wassermoleküle mit der Energie des Sonnenlichts effizient spalten. (künstlerische Illustration)
Solarer Wasserstoff: Hauchdünne Säulen aus Titandioxid, besetzt mit Nanokügelchen aus Bismutvanadat können Wassermoleküle mit der Energie des Sonnenlichts effizient spalten. (künstlerische Illustration)
© Peidong Yang
Berkeley (USA) - Mit Sonnenlicht kann nicht nur elektrischer Strom, sondern auch direkt das energiereiche und vor allem günstig speicherbare Gas Wasserstoff erzeugt werden. Für diese solare Spaltung von Wassermolekülen in Sauerstoff und Wasserstoff nutzten nun kalifornische Forscher winzige Säulen aus Titandioxid, die sie mit Nanopocken aus einem hoch effizienten Lichtfänger beschichtet hatten. Wie sie in der Fachzeitschrift „ACS Central Science“ berichten, könnte dieser Ansatz die derzeit noch geringen Wirkungsgrade der Wasserspaltung signifikant erhöhen.

„Mit dieser Strategie können wir die Effizienz der Materialien für Photoanoden weiter steigern“, sagt Peidong Yang, Chemiker an der University of California in Berkeley. Für ihren Prototyp eines Reaktors für solare Wasserspaltung ließen Yang und seine Kollegen zuerst millionstel Millimeter dünne Säulen aus Titandioxid auf einer beschichteten Glasplatte wachsen. In diese Säulen wanderten in einer Salzlösung Tantelatome, um die elektrische Leitfähigkeit der Säulen drastisch zu erhöhen. Nach einer Hitzbehandlung bei 600 Grad setzten sich die Tantalatome im Kristallgitter des Titandioxids fest. Wissenschaftler nennen diesen Prozess Dotieren.

Das dotierte Titandioxid leitete Elektronen zwar sehr gut, konnte das zur Wasserspaltung nötige Sonnenlicht aber eher schlecht einfangen. Dieses Problem löste Yang mit winzigen Kügelchen aus Bismutvanadat. Diese Nanopartikel bildeten sich in einer heißen Atmosphäre aus Bismut und einer flüchtigen Vanadiumoxid-Verbindung und setzten sich auf der Oberfläche der Titandioxid-Säulen ab. Erste Versuche zeigten, dass diese genoppten Nanosäulen den blauen Anteil des Sonnenlichts sehr gut absorbierten und dabei Elektronen erzeugten. Die Elektronen wurden von den Säulen aufgenommen und weitergeleitet. Kamen nun Wassermoleküle mit diesen Säulen in Kontakt , nahmen sie die Elektronen auf und spalteten sich in Wasserstoff und Sauerstoff.

Auf möglichst hohe Wirkungsgrade haben Yang und Kollegen ihren solaren Wasserstoff-Reaktor noch nicht getrimmt. Doch sind sie davon überzeugt, dass ihre Kombination aus gutem elektrischen Leiter und effizienten Lichtfängern diese nachhaltige Art der Wasserstoff-Erzeugung drastisch voranbringen wird. Sollte dieser Schritt gelingen, könnten in Zukunft Solarkraftwerke nicht nur elektrischen Strom, sondern auch Wasserstoffgas günstig erzeugen.

Viel versprechend sind aber auch andere Ansätze, die Strom aus Solarzellen nutzen, um mit geeigneten Katalysatoren Wasserstoff über eine Elektrolyse zu erzeugen. Einen Wirkungsgrad von über zwölf Prozent erzielte vor einem halben Jahr die Arbeitsgruppe um Michael Grätzel von der Technischen Hochschule in Lausanne. Die Wissenschaftler kombinierten Perowskit-Solarzellen mit günstigen Katalysatoren aus Eisen und Nickel. Zwei dieser Solarzellen mussten dazu in Reihe geschaltet werden, um mit gut zwei Volt genug Spannung für die elektrolytische Spaltung von Wasser zu liefern.

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