In Gegenwart eines geeigneten Katalysators kann Sonnenlicht Wasser (H2O) in Sauerstoff (O2) und Wasserstoff (H2) spalten. Diese sogenannte photokatalytische Wasserteilung wurde vor genau 50 Jahren im Jahr 1972 von den japanischen Forschern Akira Fujishima und Kenichi Honda entdeckt. Sie zeigten, dass Titandioxid als Katalysator verwendet werden kann, um H2O in H2 und O2 zu spalten, wenn es Sonnenlicht ausgesetzt wird.
Obwohl dieses Verfahren seither weltweit erforscht wird, ist seine Effizienz noch nicht so weit gesteigert, dass es zur effizienten Herstellung von Wasserstoff im industriellen Maßstab eingesetzt werden kann. Dies liegt unter anderem daran, dass weder der Prozessablauf noch die Wirkungsweise des Katalysators so verstanden werden, dass der Katalysator gezielt in Richtung höherer Effizienz optimiert werden kann.
Zwei Aufgaben
Bei der photokatalytischen Spaltung von Wasser gehe es „um zwei Aufgaben gleichzeitig“, sagte Alexey Cherevan vom Institut für Materialchemie der Technischen Universität (TU) Wien in einer Pressemitteilung zur Veröffentlichung der Zeitschrift „ACS Catalysis“ der American Chemical Society (ACS)-Studie. Einerseits müssten die Sauerstoffatome im Wasser in O2-Moleküle umgewandelt werden, andererseits würden sich die verbleibenden Wasserstoffionen zu H2-Molekülen verbinden.
Dazu verankerten Wiener Forscher kleine anorganische Cluster, die nur aus wenigen Atomen bestehen, in einer lichtabsorbierenden Unterstruktur wie Titanoxid. Cluster zur Herstellung von Sauerstoffmolekülen bestehen aus Kobalt, Wolfram und Sauerstoff, solche zur Herstellung von Schwefel und Molybdän aus Wasserstoffmolekülen.
„Die Energie des absorbierten Lichts führt dazu, dass frei bewegliche Elektronen entstehen und positive Ladungen sich frei im Titanoxid bewegen. Diese Ladungen ermöglichen es Atomgruppen, die auf dieser Oberfläche sitzen, die Teilung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu erleichtern“, sagt Cherevan.
Mehr Genauigkeit
Der Vorteil der von TU-Wissenschaftlern entwickelten Methode liegt ihnen zufolge darin, dass sie die genaue Struktur von Clustern mit atomarer Präzision bestimmen und so ein vollständiges Verständnis des Katalysezyklus erlangen können. Nanopartikel, die von anderen Forschungsgruppen verwendet werden, könnten dagegen ganz andere Formen und Oberflächeneigenschaften annehmen. Außerdem ist die Größe der Partikel schwer kontrollierbar und ihre Atome sind nicht immer gleich angeordnet. Das bedeutet, dass der katalytische Prozess nicht im Detail erklärt werden kann.
„Wir wollen uns nicht nur auf Versuch und Irrtum verlassen und verschiedene Nanopartikel testen, bis wir die beste Methode gefunden haben, sondern auf atomarer Ebene klären, welcher der optimale Katalysator ist“, erklärte Cherevan. Nachdem sich die ausgewählten Materialien als wirklich geeignet zur Wasserspaltung erwiesen haben, wollen die Forscher die genaue Struktur der Cluster weiter verbessern, um die Effizienz zu steigern.