Gespaltenes Wasser

Voluminöse Moleküle schützen effizienten Kobalt-Katalysator für die lichtinduzierte Wasserspaltung vor dem Zerfall.

Mit zunehmender Langzeitstabilität und sinkenden Produktionskosten verbreiten sich Brennstoffzellen langsam aber stetig über immer größere Anwendungsfelder. Allein der Wasserstoff, der in den Energiewandlern mit Sauerstoff sauber zu Strom umgesetzt wird, wird zum Großteil aus Erdgas gewonnen. Um den zukunftsträchtigen Brennstoff jedoch ohne CO₂-Ausstoß klimaneutral zu gewinnen, kann er elektrolytisch mit regenerativ erzeugten Strom oder direkt über die katalytische Spaltung von Wasser produziert werden. Für den letzteren, wohl elegantesten Weg der Wasserspaltung entwickelten französische und amerikanische Wissenschaftler einen neuen Katalysator auf Kobaltbasis.

Nach dem Vorbild der natürlichen Photosynthese reicht für die katalytische Spaltung von Wassermolekülen die Energie des Sonnenlichts aus. Nötig sind dazu ein effizienter Lichtabsorber, ein Katalysator für die Oxidation des Wassers zu Sauerstoff und ein weiterer für die Reduktion von Wasser zu Wasserstoff. Kobalt- und Rutheniumkatalysatoren erwiesen sich für die Wasseroxidation bereits als hoch effizient. Jedoch waren sie bisher nicht besonders langlebig, da sie sich nach und nach wegen der chemischen Agressivität des Sauerstoffs selbst zersetzten.

"Wir fokussierten unsere Arbeit auf einen Katalysator ohne organische Bestandteile, da sich organische Komponenten mit Sauerstoff verknüpfen und sich so selbst zerstören", sagt Craig Hill, Chemiker an der Emory University in Atlanta. Zusammen mit Kollegen von der Universität Paris 06 stabilisierten sie daher das Katalysatormaterial Kobaltoxid (Co₄O₄) mit kohlenstofffreien Liganden, so genannten Polyoxometallaten.

Der komplette, homogen aufgebaute Kobalt-Komplex ließ sich in einer Reaktion von Kobaltoxid, Phosphatsalzen und Wolfram durch einfaches Erhitzen in Wasser synthetisieren. Unter Einstrahlung von ultraviolettem Licht testeten die Chemiker das katalytische Verhalten. Abgepuffert auf einen pH-Wert 8 konnte der Kobaltkomplex mit einer Reaktions- und Regenerationsrate von über fünf Hertz (catalytic turnover) Wasser am effizientesten zu Sauerstoff oxidieren ohne selbst sukzessive zerstört zu werden.

Mit diesem Katalysator aus relativ günstigen Substanzen steht ein weiteres viel versprechendes Material für die direkte Spaltung von Wasser zu Sauerstoff und Wasserstoff zur Verfügung. Vor einer technischen Anwendung muss allerdings noch ein passender Katalysator für die katalytische Reduktion zu Wasserstoff gefunden und die Ausbeute beider Gase genau ermittelt und eventuell gesteigert werden. Einen Schritt weiter sind offenbar britische Forscher, die erst kürzlich einen heterogen aufgebauten Katalysator für die Spaltung von Wasser vorgestellt hatten. Ihr System - eine Goldelektrode, die zahlreichen Schichten aus Indiumphosphid (InP)-Nanopartikeln überzogen wurde - zeigte unter Bestrahlung mit Licht und einer relativ geringen elektrischen Spannung eine Effizienz von 60 Prozent.

Jan Oliver Löfken

• Department of Chemistry, Emory University, Atlanta:
  http://www.chemistry.emory.edu/
  
  
• Institut Parisien de Chimie Moleculaire, Paris:
  http://www.ipcm.fr/
  
  
• Energie aus Licht und Wasser, pro-physik.de (10.2.2010)

Weiterführende Literatur:

• Thomas Nann et al.: Water Splitting by Visible Light: A Nanophotocathode for Hydrogen Production. Angewandte Chemie International Edition, online 5. Februar 2010
  dx.doi.org/10.1002/anie.200906262

• N. S. Lewis, D. G. Nocera, Proc. Nat. Acad. Sci. 103 (43), 15729 (2006)

• V. Balzani, A. Credi, M. Venturi, ChemSusChem 1, 26 (2008)

• R. Eisenberg, H. B. Gray, Inorg. Chem. 47, 1697 (2008)

 KP