Mehr solarer Wasserstoff

Eine der großen Herausforderungen der Energie­wende ist es, auch dann Energie zu liefern, wenn die Sonne nicht scheint. Ein Lösungs­ansatz ist die Wasser­stoff­pro­duk­tion mit­hilfe von Sonnen­licht durch die Auf­spal­tung von Wasser in Wasser­stoff und Sauer­stoff. Wasser­stoff ist ein guter Energie­speicher und viel­seitig ver­wend­bar. Aller­dings funktio­niert die Wasser­spaltung nicht einfach von selbst: Damit Licht Wasser­moleküle zer­legen kann, sind Kataly­sa­toren nötig. Einer der besten Kataly­sa­toren ist Platin. Welt­weit suchen Forschungs­teams nach preis­günsti­geren Alter­nativen. Jetzt hat ein Team um Bin Zhang von der Tianjin Univer­sity in China gemein­sam mit einem Team um Tristan Petit vom Helm­holtz-Zentrum Berlin für Materi­alien und Energie einen großen Fort­schritt bei einer bekannten Klasse günstiger und metall­freier Photo­kataly­sa­toren erreicht.

Das chinesische Team ist auf die Synthese von polymeren Kohlen­stoff­nitriden, kurz PCN, spezia­li­siert, die als gute Kataly­sator­kandi­daten für die Wasser­stoff­pro­duk­tion gelten. Dabei bilden die PCN-Moleküle mit­ein­ander eine Struktur, die sich mit rohem Blätter­teig ver­gleichen lässt: Eng anein­ander gepackt liegen die Blätter auf­ein­ander. Durch eine verhältni­smäßig unkompli­zierte Wärme­behand­lung in zwei Schritten ist es den chine­sischen Forschern gelungen, die ein­zelnen Blätter von­ein­ander zu lösen – so wie ein Blätter­teig im Ofen auf­geht in ein­zelne Lagen. Nach der Wärme­behand­lung erhielten die Forscher Proben, die aus ein­zelnen Nano-Lagen mit großen Poren bestanden. In diese Poren konnten sie unter­schied­liche Amino­gruppen mit bestimmten Funktio­na­li­täten ein­schleusen.

Petit und sein Team untersuchten an BESSY II nun mit röntgen­spektro­sko­pischen Methoden eine Reihe dieser nano­struk­tu­rierten PCN-Proben. „Wir konnten bestimmen, welche Amino- und andere Molekül­gruppen sich in den Poren ein­ge­lagert hatten“, erklärt Team-Mitglied Jian Ren. Dabei konnten die Forscher auch analy­sieren, wie bestimmte Amino­gruppen Elek­tronen geradezu an sich reißen, eine Eigen­schaft, die bei der Auf­spal­tung von Wasser hilft. Tat­säch­lich zeigten diese Proben, kombi­niert mit Nickel als Ko-Kataly­sator, eine Rekord­effi­zienz, die elf­mal so hoch war wie bei normal struk­tu­riertem PCN unter Sonnen­licht.

„Damit konnten wir belegen, dass PCN als Katalysator für die solare Wasser­stoff­pro­duk­tion inte­res­sant ist, denn die jetzt erreichten Effi­zi­enzen kommen an die von anorga­nischen Kataly­sa­toren heran“, erklärt Petit. „Außer­dem zeigt diese Studie, wie sich mit Hilfe von Röntgen­spektro­skopie im weichen Röntgen­bereich an BESSY II ent­schlüsseln lässt, welche Prozesse tat­säch­lich in diesen Photo­kataly­sa­toren ablaufen.“

HZB / RK