Multitool für die solare Wasserspaltung

Bei der photokatalytischen Wasserspaltung werden mittels synthe­tischer Kompo­nenten die komplexen Prozesse nach­ge­bildet, die bei der natür­lichen Photo­synthese ablaufen. Dabei absor­bieren als Photo­kataly­sa­toren dienende Halb­leiter-Nano­partikel Photonen. Ein Photon regt im Halb­leiter eine ein Elektron und ein Loch an. Elektron und Loch müssen sich räumlich trennen, damit Wasser von dem Elektron zu Wasser­stoff redu­ziert und vom Loch zu Sauer­stoff oxidiert werden kann. Die effi­ziente Umsetzung dieses Ver­fahrens ist tech­nisch sehr anspruchs­voll, da ver­schie­dene Prozesse beteiligt sind, die sich gegen­seitig beein­träch­tigen. Einem Team der Unis München und Würz­burg gelang es jetzt erst­mals Wasser in einem ein­zigen System mit­hilfe von sicht­barem Licht voll­ständig zu spalten.

„Wenn man nur Wasserstoff aus Wasser herstellen will, werden die Löcher meistens schnell mittels chemischer Reagen­zien ent­fernt“, sagt Jacek Stolar­czyk von der Uni München. „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.

„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 Forscher bereits früher zeigen konnten, 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 Wissen­schaftler Oxida­tions­kataly­sa­toren auf Ruthe­nium­basis, die mit spezi­ellen Anker­gruppen an den Nano­stäb­chen fixiert werden. „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 Peter Frisch­mann von der Uni Würz­burg.

LMU / RK