Künstliche Photosynthese: Neuer Katalysator spaltet Wasser effizienter

Houston (USA) - Aus Sonnenlicht lässt sich nicht nur Strom und Wärme gewinnen. Auch Wasserstoffgas, speicherbar in Hochdrucktanks, kann über eine Spaltung von Wassermolekülen erzeugt werden. Waren bisher die Ausbeuten dieser Katalysereaktion verschwindend geringe, konnte nun eine texanische Arbeitsgruppe die Effizienz um das 50-Fache steigern. Winzige Nanoteilchen aus Kobaltoxid ermöglichten dieses Erfolg, über den die Forscher in der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ berichten.

„Sobald die Nanoteilchen ins Wasser gerührt wurden und das Licht eingeschaltet war, spaltete sich das Wasser sofort in Sauerstoff und Wasserstoff“, sagt Jiming Bao von der University of Houston. Beleuchtet mit einer Lampe, die das natürliche Sonnenspektrum simulierte, entstanden in einem kleinen Wasserglas binnen einer halben Stunde 20 Milliliter Wasserstoff. Die in dieser Gasmenge gespeicherte Energie entsprach etwa fünf Prozent der eingestrahlten Lichtenergie. Vorherige Experimente mit anderen Katalysatoren hatten nur einen Bruchteil dieser Ausbeute erreicht.

Eine Ursache für diese hohe Effizienz lag in den winzigen Nanoteilchen aus Kobaltoxid. Weniger als zehn Milllionstel Millimeter groß, offenbarten sie katalytische Eigenschaften, die größere Kobaltoxid-Teilchen nicht hatten. Eine spektroskopische Untersuchung der Nanoteilchen lieferte die Erklärung: Die elektronischen Eigenschaften des Kobaltoxids veränderten sich so stark, dass die Nanoteilchen die Energie des Sonnenlichts für die Spaltung der Wassermoleküle nutzen konnten. Bei größeren Kobaltoxid-Partikeln fand dagegen gar keine Katalyse-Reaktion unter Sonnenlicht statt. „Aber bisher“, sagt Jiming Bao, „verstehen wir die zugrunde liegenden mikroskopischen Mechanismen noch nicht, die für die hohe Effizienz der Wasserspaltung verantwortlich sind.“

Die überraschend hohe Ausbeute erreichten die Forscher allerdings nur mit frisch zermahlenem Kobaltoxid. Und bereits nach einer Stunde verloren die Nanopartikel ihre katalytische Wirkung. Eine genauere Analyse der genutzten Partikel zeigte eine unerwünschte Oxidation des Kobaltoxids. In weiteren Versuchen wollen die Wissenschaftler diese Deaktivierung ihres Katalysators besser verstehen lernen, um sie im Idealfall verringern und sogar ganz vermeiden zu können. So ist der Weg bis zu einer wirtschaftlichen photokatalytischen Spaltung von Wasser offenbar noch weit. Dennoch zeigen diese Versuche, dass kobalthaltige Katalysatoren ein großes Potenzial aufweisen.

Doch auch bei Wirkungsgraden um fünf Prozent stünde diese Methode der direkten Wasserstofferzeugung – auch künstliche Photosynthese genannt - noch immer in Konkurrenz zur Elektrolyse. Diese erreicht heute bereits eine Effizienz von über 70 Prozent. Gekoppelt mit einer photovoltaischen Stromerzeugung mit 20 Prozent Wirkungsgrad, ergibt sich rechnerisch eine Gesamteffizienz von sogar 14 Prozent. Die direkte Wasserspaltung hätte allerdings der großen Vorteil, auf großflächige Solarpanels und Elektrolysebecken verzichten zu können.