Mehr Wasserstoff mit Sonnenlicht
Nanoteilchen aus Kobaltoxid steigern Effizienz der photokatalytischen Wasserspaltung um das Fünfzigfache.
Die Energie des Sonnenlichts kann Wassermoleküle direkt in ihre Bestandteile spalten. Doch dieser von Katalysatoren unterstützte Prozess erreichte bisher eine Ausbeute von gerade mal einem zehntel Prozent. Zu wenig, um Wasserstoff wirtschaftlich zu produzieren. Eine Arbeitsgruppe der University of Houston konnte die Effizienz jedoch mit Nanoteilchen aus Kobaltoxid nun um das Fünfzigfache steigern. Sollten sie auch die Ursachen für diesen Sprung klären können, lockt eine einfache und günstige Methode für eine nachhaltige Wasserstoff-Erzeugung.
Abb.: Nanopartikel aus Kobaltoxid unter einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM). In dieser Form taugt Kobaltoxid als sehr effizienter Katalysator für die Spaltung von Wasser mit Sonnenlicht. (Bild: J. Bao, U. Houston)
Die photokatalytische Spaltung von Wasser funktioniert über zahlreiche Wege. Angestrebt wird jedoch, nur einen einzigen Katalysator ohne weitere Zusätze zu nutzen. In direktem Kontakt mit Wasser reicht dabei Sonnenlicht aus, um Wasserstoff und Sauerstoff zu gewinnen. Jiming Bao und und seine Kollegen wählten nun Kobaltoxid, das als Festkörper oder fein pulverisiert keine katalytische Reaktion ermöglicht. Doch nach einer Verkleinerung Mikrometer feinen Pulvers per Laserablation und eines weiteren Mahlprozesses erhielten die Forscher Kobaltoxid-Partikel mit Durchmessern von unter zehn Nanometern.
Photoelektronen-Spektren der Nanoteilchen zeigten, dass die Größe der Partikel die elektronische Bandstruktur von Kobaltoxid stark beeinflusste. Dank einer Verschiebung des Leitungsbands um etwa 600 meV ließ sich Kobaltoxid durch Licht im sichtbaren Spektralbereich anregen und die Spaltung von Wassermolekülen katalytisch in Gang setzen. Versuche mit einem Festkörperlaser (532 nm Wellenlänge) und simuliertem Sonnenlicht führten zu einer stöchiometrischen Spaltung von Wasser. Nach einer Bestrahlung mit simuliertem Sonnenlicht (100 mW / cm2) von 30 Minuten Dauer entstanden zwanzig Milliliter Wasserstoffgas. Der Vergleich von eingesetzter Energie (3420 Joule) mit dem Energieinhalt des Gases (210 J) ergab eine Effizienz von etwa fünf Prozent.
Dieser überraschend hohe Wert ließ sich allerdings nur mit frisch zermahltem Kobaltoxid erreichen. Bereits nach einer Stunde verloren die Nanopartikel ihre katalytische Wirkung. Eine genauere Analyse der genutzten Partikel zeigte eine unerwünschte Oxidation des Kobaltoxids. In weiteren Versuchen wollen die Wissenschaftler diese Deaktivierung ihres Katalysators besser verstehen lernen, um sie im Idealfall verringern und sogar ganz vermeiden zu können. „Aber bisher verstehen wir die zugrunde liegenden mikroskopischen Mechanismen nicht, die für die hohe Effizienz der Wasserspaltung verantwortlich sind“, sagt Bao.
Der Weg bis zu einer wirtschaftlichen, photokatalytischen Spaltung von Wasser ist offenbar noch weit. Dennoch zeigen diese Versuche, dass Kobalt-haltige Katalysatoren ein großes Potenzial aufweisen. Doch auch bei Wirkungsgraden um fünf Prozent stünde diese Methode der direkten Wasserstofferzeugung noch immer in Konkurrenz zur Elektrolyse. Diese erreicht heute bereits eine Effizienz von mehr als siebzig Prozent. Gekoppelt mit einer photovoltaischen Stromerzeugung mit zwanzig Prozent Wirkungsgrad, ergibt sich rechnerisch eine Gesamteffizienz von sogar 14 Prozent. Die direkte Wasserspaltung hätte allerdings den großen Vorteil, auf großflächige Solarpanele und Elektrolysebecken verzichten zu können.
Jan Oliver Löfken
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