Wiener Forscher revolutionieren die Produktion von Wasserstoff

Wissenschaftler der Technischen Universität Wien haben ein Verfahren entwickelt, um mittels Licht Wasserstoff herzustellen. Damit entfällt der kostspielige Schritt der vorlaufenden Stromerzeugung.

Licht statt Strom Strukturmodelle der beiden Molekülgruppen, die an der Aufspaltung von Wasser mit Hilfe von Licht beteiligt sind (Bild: Technische Universität Wien)

Bislang wurde grüner Wasserstoff in der Regel durch Elektrolyse mit erneuerbarem Strom erzeugt. Doch diese Methode ist genau genommen ein Umweg. Denn erst muss Strom aus Wind oder Sonne erzeugt werden. Die Wiener Forscher haben sich gefragt, wie sie das Sonnenlicht direkt zur Aufspaltung des Wassers in Sauerstoff und Wasserstoff verwenden können. Ergebnis ihrer Forschungen: Passende Katalysatoren machen die sogenannte photokatalytische Wasserspaltung möglich und kontrollierbar. Unter Katalysatoren verstehen Chemiker Stoffe, die chemische Reaktionen möglich machen oder fördern. Die Stoffe selbst bleiben aber dabei unverändert.

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„Eigentlich hat man es hier mit zwei Aufgaben gleichzeitig zu tun“, sagt Alexey Cherevan. „Wir müssen über Sauerstoff und über Wasserstoff nachdenken. Die Sauerstoffatome des Wassers müssen in O2-Moleküle umgewandelt werden, und die übrigbleibenden Wasserstoff-Ionen müssen zu H2 Molekülen werden.“

Für beide Prozesse wurden Lösungen gefunden. Winzige Cluster, die nur aus einer kleinen Zahl von Atomen bestehen, werden auf einer lichtaufnehmenden Unterstruktur wie Titanoxid verankert. Als Cluster bezeichnen die Chemiker Gruppen von drei oder mehr Atomen, von denen jedes mit mindestens zwei anderen Atomen der Gruppe verknüpft ist. Die Cluster, die für die Oxidation von Sauerstoff verantwortlich sind, bestehen aus Kobalt, Wolfram und Sauerstoff. Die Cluster, die für die Herstellung von Wasserstoffmolekülen geeignet sind, bestehen aus Schwefel und Moybden. Das Wiener Team hat als erstes diese Cluster auf einer Oberfläche aus Titanoxid platziert. Die Cluster und die lichtabsorbierende Unterstruktur aus Titanoxyd dienen gemeinsam als Katalysatoren für die Wasserspaltung.

Kontrollierte Prozesse

„Titanoxid reagiert auf Licht, das war bereits bekannt“, erklärt Cherevan. „Die Energie des absorbierten Lichts führt dazu, dass im Titanoxid frei bewegliche Elektronen und frei bewegliche positive Ladungen entstehen”, sagt der Leiter der Forschungsgruppe für Photokatalyse am Institut für Materialchemie der TU Wien. “Diese Ladungen ermöglichen dann den Atomclustern die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu erleichtern.“

Es gibt bereits andere Forscher, die an ähnlichen Prozessen arbeiten. Doch sie verwenden in der Regel Nanopartikel, die unterschiedliche Formen und Größen annehmen können. Doch diese Größen sind schwer zu kontrollieren. Oft sind die Atome von Mal zu Mal verschiedenartig angeordnet. Daher, so Cherevan, könne man nicht genau erklären, wie der Katalyse-Prozess ablaufe.

Genaues Wissen über die Abläufe

Anders in Wien: Hier wurde die exakte Struktur der Cluster mit atomarer Präzision festgelegt. So konnte ein vollständiges Verständnis des Katalyse-Kreislaufs gewonnen werden. Cherevan: „Nur so bekommt man ein Feedback darüber, wovon die Effizienz des Prozesses wirklich abhängt.“ Man wolle sich nicht einfach auf Versuch und Irrtum verlassen und unterschiedliche Nanopartikel ausprobieren, bis man die beste Methode gefunden habe. “Wir wollten auf atomarer Ebene klären, was der optimale Katalysator ist.“ Jetzt ist bewiesen, dass die ausgewählten Materialien tatsächlich zum Aufspalten von Wasser geeignet sind. In einem zweiten Schritt sollen ihre genauen Strukturen optimiert werden, um die Wirksamkeit zu erhöhen.

Eines Tages auch als Kohlenstoff-Fänger?

Der entscheidende Vorteil im Vergleich zur Elektrolyse ist die Einfachheit. Die vorlaufende Stromerzeugung entfällt. Ebenso überflüssig werden komplexe Elektrolysezellen. Statt dessen reicht eine passend beschichtete Oberfläche, die von Wasser bedeckt ist und von der Sonne bestrahlt wird.

Die Chemiker-Phantasie geht noch weiter: Vielleicht könne man dieses Wissen eines Tages auch nutzen, um komplexe Moleküle herzustellen, in einer Form künstlicher Photosynthese. In ihren kühnsten Träumen schließen die Wiener nicht aus, per Sonneneinstrahlung Kohlendioxid aus der Luft mit Wasser so zu verbinden, dass nutzbare Kohlenwasserstoffe entstünden.

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