Multitool für die solare Wasserspaltung
07.09.2018Die Spaltung von Wasser mit Sonnenlicht ist ein vielversprechender Ansatz für die Speicherung erneuerbarer Energie. Ein neues Nano-Katalysatorsystem lässt erstmals alle Reaktionsschritte an einem Halbleiter-Partikel ablaufen.
In Anbetracht des globalen Klimawandels ist es erstrebenswert, erneuerbare klimaneutrale Energiequellen zu nutzen und zu speichern. Ein vielversprechender Ansatz ist die Photokatalyse: Dabei wird Wasser mit Hilfe von Sonnenlicht in Sauerstoff und den Energieträger Wasserstoff aufgespalten. Die effiziente Umsetzung dieses Verfahrens ist allerdings technisch sehr anspruchsvoll, da verschiedene Prozesse beteiligt sind, die sich gegenseitig beeinträchtigen.
Physikern der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) um Dr. Jacek Stolarczyk und Professor Jochen Feldmann ist es in Kooperation mit Chemikern der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) um Professor Frank Würthner nun erstmals gelungen, Wasser in einem einzigen System mithilfe von sichtbarem Licht vollständig zu spalten. Ihre Ergebnisse stellen die Teams im Fachmagazin Nature Energy vor.
Nachbildung der Photosynthese
Bei der photokatalytischen Wasserspaltung werden mittels synthetischer Komponenten die komplexen Prozesse nachgebildet, die bei der natürlichen Photosynthese ablaufen. Im Prinzip absorbieren dabei als Photokatalysatoren dienende Halbleiter-Nanopartikel Lichtquanten (Photonen).
Ein Photon regt im Halbleiter eine negative Ladung (ein Elektron) und eine positive Ladung (ein sogenanntes „Loch“) an. Beide müssen sich räumlich trennen, damit das Wasser vom Elektron zu Wasserstoff reduziert beziehungsweise das Loch zu Sauerstoff oxidiert werden kann. „Wenn man nur Wasserstoff aus Wasser herstellen will, werden die Löcher meistens schnell mittels chemischer Reagenzien entfernt“, sagt Stolarczyk. „Für eine vollständige Wasserspaltung müssen die Löcher aber bleiben und den langsamen Wasseroxidationsprozess vorantreiben.“
Die Schwierigkeit besteht dann darin, beide Halbreaktionen so auf einem Partikel zu kombinieren, dass sie gleichzeitig ablaufen – und zwar ohne, dass die dabei entstehenden entgegengesetzten Ladungen rekombinieren. Zudem werden die meisten Halbleiter durch die positiven Ladungen angegriffen und zerstört.
Nanostäbchen mit separaten Reaktionsräumen
„Den Durchbruch haben wir geschafft, indem wir Nanostäbchen des Halbleiters Cadmiumsulfid verwendeten und die Reduktions- und Oxidationsreaktion auf diesen Nanokristallen räumlich trennten“, sagt Stolarczyk. An den Spitzen der Stäbchen positionierten die Wissenschaftler winzige Platinpartikel, die bei der Photoreaktion entstehende Elektronen aufnehmen.
Wie die LMU-Physiker bereits früher gezeigt haben, funktioniert diese Anordnung als wirksamer Photokatalysator für die Reduktion von Wasser zu Wasserstoff. Die Oxidation dagegen findet an den Seiten der Nanostäbchen statt: Auf den gesamten Seitenflächen platzierten die LMU-Physiker Oxidationskatalysatoren auf Rutheniumbasis, die mit speziellen Ankergruppen an den Nanostäbchen fixiert werden. Entwickelt wurden diese Katalysatoren von Würthners Team an der JMU.
„Die Verankerung ermöglicht eine extrem schnelle Übertragung des Lochs auf den Katalysator, sodass eine effektive Sauerstofferzeugung stattfinden kann und die Cadmium-Nanostäbchen nicht geschädigt werden“, sagt Dr. Peter Frischmann, einer der Initiatoren des Forschungsprojekts an der Universität Würzburg.
SolTech: Konzepte für die Umwandlung von Sonnenenergie
Die Wissenschaftler führten ihre Studie im Rahmen des interdisziplinären Projekts „Solar Technologies Go Hybrid“ (SolTech) durch, das vom Freistaat Bayern gefördert wird.
„Ziel von SolTech ist es, innovative Konzepte für die Umwandlung von Solarenergie insbesondere in nicht-fossile Brennstoffe zu erforschen“, erklärt Professor Jochen Feldmann, Inhaber des Lehrstuhls für Photonik und Optoelektronik an der LMU.
„Die Entwicklung des neuen photokatalytischen Systems ist ein gutes Beispiel dafür, wie SolTech die Expertise unterschiedlicher Fachrichtungen und Standorte zusammenbringt. Unser Erfolg war nur durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Chemikern und Physikern an zwei Standorten möglich“, ergänzt Professor Frank Würthner, der an der JMU den Lehrstuhl für Organische Chemie II innehat. Würthner und Feldmann haben SolTech im Jahr 2012 gemeinsam initiiert.
Publikation
“All-in-one visible-light-driven water splitting by combining nanoparticulate and molecular co-catalysts on CdS nanorods”, Christian M. Wolff, Peter D. Frischmann, Marcus Schulze, Bernhard J. Bohn, Robin Wein, Panajotis Livadas, Michael T. Carlson, Frank Jäckel, Jochen Feldmann, Frank Würthner, and Jacek K. Stolarczyk, Nature Energy, 3. September 2018, DOI: 10.1038/s41560-018-0229-6
