Japanische Forscher gewinnen Wasserstoff nach dem Vorbild von Pflanzen
Neu entwickelter Photokatalysator setzt Wasserstoff mit Hilfe des Sonnenlichtes aus Wasser frei
Ein von japanischen Wissenschaftlern neu entwickeltes Material kann Wasser mit Hilfe von Sonnenlicht in Wasserstoff und Sauerstoff spalten. Dies eröffnet neue Möglichkeiten zur einfachen und billigen Produktion des grünen Energieträgers Wasserstoff. Damit könnte dieser in Zukunft so einfach wie Erdgas für Haushalte erhältlich sein. Die Forscher berichten über ihre Arbeit in dem britischen Wissenschaftsmagazin Nature.
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Das von dem Team um Zhigang Zou vom National Institute of Advanced Industrial Science and Technology in Tsukuba entwickelte Material ist ein so genannter Photokatalysator. Es handelt sich dabei um ein nickelhaltiges Halbleiteroxid. Wird dieses Material in Wasser gegeben, so kann es dieses mit Hilfe von Sonnenlicht in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff spalten. Der so freigesetzte Wasserstoff kann dann zum Beispiel in Brennstoffzellen für Wasserstoffautos eingesetzt werden.
Das besondere an dem neu entwickelten Photokatalysator ist der Umstand, dass dieser die für die Spaltung des Wassers notwendige Energie aus dem sichtbaren Bereich des Spektrums des Sonnenlichtes bezieht. Herkömmliche Photokatalysatoren können zumeist nur ultraviolette Strahlung absorbieren und damit nur einen Bruchteil der Sonnenenergie für ihre Arbeit ausnutzen. Eine weitere Besonderheit des von dem japanischen Team entwickelten Katalysators ist seine ungewöhnlich lange Stabilität.
Der nächste Schritt in der Weiterentwicklung des neuen Photokatalysators soll in der Verbesserung seines Wirkungsgrades liegen. Dieser beträgt zur Zeit nur etwa ein Prozent - mehr als 99 Prozent der Lichtenergie wird nicht zur Spaltung von Wasser eingesetzt. So könnte etwa die Porosität des Halbleiteroxides vergrößert werden, um die Kontaktfläche mit Wasser zu maximieren und somit den Wirkungsgrad zu erhöhen.
Die an dem Projekt beteiligten Wissenschaftler hoffen, dass ihre Forschung den Weg zum breiten Einsatz von Wasserstoff als Energiequelle ebnen wird. Wasserstoff ist ein besonders umweltverträglicher Energieträger, da sowohl bei seiner Produktion als auch bei seiner Verbrennung keine die Umwelt schädigenden Nebenprodukte auftreten.
Auf Halbleiteroxidkristallen beruhende Photokatalysatoren sind schon seit mehreren Jahrzehnten bekannt. Die Bestrahlung derartiger Kristalle mit Licht erzeugt freie Elektronen und Löcher, die dann an die Oberfläche des Kristalls wandern und dort ihre Energie an Wassermoleküle abgeben können. Dadurch werden diese Moleküle gespalten. Zur Erzeugung der freien Elektronen und Löcher muss die Energie der einfallenden Lichtquanten groß genug sein, um die für Halbleiter typische Energielücke zu überwinden - aus diesem Grund benötigen herkömmliche auf Halbleiteroxid beruhende Photokatalysatoren energiereiche Photonen aus dem ultravioletten Bereich des Spektrums.
Durch Dotierung mit Nickel ist es dem japanischen Team gelungen, die Energielücke der Halbleiterkristalle zu verkleinern, so dass nun bereits die weniger energiereichen Photonen des sichtbaren Lichtes zur Erzeugung der freien Ladungsträger ausreichen. Eine sich an der Oberfläche der Kristalle ausbildende Nickel-Nickeloxidschicht verhindert zudem die Rückreaktion der Spaltungsprodukte Wasserstoff und Sauerstoff zurück zu Wasser.
Stefan Maier
