Nanosäulen steigern Effizienz künstlicher Photosynthese

Wasserstoff lässt sich günstiger speichern als elektrischer Strom und über Brennstoffzellen gut wieder in Elektrizität umwandeln. Um Wasserstoff direkt mit Sonnenlicht zu erzeugen, verfolgen Wissenschaftler weltweit zahlreiche Ansätze für die solar betriebene Wasserspaltung. Um die Effizienz dieser Prozesse – oft auch als künstliche Photosynthese bezeichnet – zu steigern, entwickelte eine Arbeitsgruppe an der University of California in Berkeley eine neuartige Photoanode. Diese konnte sowohl Sonnenlicht gut absorbieren als auch die erzeugten Elektronen effizient weiterleiten, um Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten.

Peidong Yang und seine Kollegen kombinierten dazu zwei Materialien, die einerseits eine gute elektrische Leitfähigkeit, andererseits einen hohen Absorptionsgrad für Sonnenlicht zeigen. Für ihre Photoanode für solare Wasserspaltung ließen sie zuerst 150 Nanometer dünne und zwei Mikro­meter hohe Säulen aus Titandioxid auf einer mit fluoriertem Zinnoxid beschichteten Glasplatte wachsen. In diese Säulen wanderten in einer Salzlösung aus Tantaloxid Tantal-Atome, die sich nach einer Hitzebehandlung bei sechshundert Grad in das Titandioxid-Kristallgitter einlagerten. Dank dieser Dotierung erhöhte sich die elektrische Leitfähigkeit der Säulen drastisch mit Ladungsdichten von bis zu 10²⁰ cm^–3.

So gut die dotierten Nanosäulen Elektronen leiteten, absorbierten sie das zur Wasserspaltung nötige Sonnenlicht eher schlecht. Dieses Problem lösten Yang und seine Kollegen mit Nanoteilchen von zwanzig bis hundert Nano­metern Durchmesser aus Bismutvanadat. Die Nanopartikel bildeten sich in einer heißen Atmosphäre aus Bismut und einer flüchtigen Vanadiumoxid-Verbindung und setzten sich auf der Oberfläche der Titandioxid-Säulen ab. Mit einem Rasterelektronenmikroskop belegten sie die gleichmäßige Verteilung der Bismutvanadat-Partikel auf der Oberfläche der Nanosäulen.

In ersten Versuchen zur solaren Wasserspaltung absorbierte das Bismut­vanadat nahezu die Hälfte des energiereichen Teils des Sonnen­spektrums zwischen vierhundert und fünfhundert Nanometern Wellenlänge. Dabei floss ein Photostrom von 2,1 Milliampere pro Quadratzentimeter bei einer Spannung von 1,23 Volt, der effizient von den Titandioxid-Säulen geleitet werden konnte. Diese Spannung reichte gerade aus, um Wassermoleküle elektrochemisch in Sauerstoff und Wasserstoff aufzuspalten.

Die Ausbeute an Wasserstoff und damit einen Wirkungsgrad dieser Wasserspaltung haben die Forscher bisher noch nicht bestimmt. Doch sind sie davon überzeugt, dass ihre Kombination aus gutem elektrischen Leiter und effizienten Lichtfängern diese nachhaltige Art der Wasserstoff-Erzeugung drastisch voranbringen wird. Von diesen Ergebnissen könnten nun Arbeits­gruppen profitieren, die an der photokatalytischen Wasserspaltung forschen, um ihre Anodenmaterialien etwa aus Zinkoxid zu optimieren. Sollte dieser Schritt gelingen, könnten in Zukunft Solarkraftwerke nicht nur elektrischen Strom, sondern auch Wasserstoffgas günstig erzeugen.

Viel versprechend sind aber auch andere Ansätze, die Strom aus Solarzellen nutzen, um mit geeigneten Katalysatoren Wasserstoff über eine Elektrolyse zu erzeugen. Einen Wirkungsgrad von über zwölf Prozent erzielte vor einem halben Jahr die Arbeitsgruppe um Michael Grätzel von der TH Lausanne. Die Wissenschaftler kombinierten Perowskit-Solarzellen mit günstigen Kataly­satoren aus Eisen und Nickel. Zwei dieser Solarzellen mit einem Wirkungs­grad von etwa 15 Prozent mussten dazu in Reihe geschaltet werden, um mit gut zwei Volt genug Spannung für die elektrolytische Spaltung von Wasser zu liefern.

Jan Oliver Löfken

RK