Tanzendes Gold

Wasser spalten mit Lichtenergie

Seitdem wird versucht, die auf diese Weise vom Licht abgezapfte Energie zu nutzen, um etwa chemische Reaktionen anzutreiben. Ein Beispiel dafür ist die Spaltung von Wasser mittels Photokatalyse. Dafür wird bislang meist das Verfahren der Elektrolyse verwendet. Doch die benötigt elektrischen Strom, um Wasser in seine Bestandteile zu spalten und so Wasserstoff verfügbar zu machen. Die Photokatalyse dagegen braucht – ähnlich wie in der Natur – nur Licht für die Reaktion.

Noch krankt das Verfahren an einer mangelnden Effizienz. Denn die meisten der eingesetzten Materialien, beispielsweise Titandioxid, nutzen nur den ultravioletten (UV) Bereich des Sonnenlichtspektrums. Daher ist der Wirkungsgrad zu gering, um große Mengen an Wasserstoff wirtschaftlich produzieren zu können.

Zwar kann die Ausbeute aus dem UV-Licht bis zu 60 Prozent betragen, doch bezogen auf das gesamte Lichtspektrum ergeben sich dennoch nur wenige Prozent Wirkungsgrad. Allerdings: Mischen die Forscher Nanopartikel in den photokatalytischen Halbleiter, lässt sich auch sichtbares Licht nutzen. Denn kugelförmiges Nanogold absorbiert elektromagnetische Wellen mit Wellenlängen um 530 Nanometer – das ist grünes Licht.

2013 stellte Martin Moskovits von der University of California erstmals eine vollständige plasmonische Wasserspaltung vor. Er und sein Team verwendeten Goldstäbchen, die an einer Stelle mit Titandioxid beschicht waren. Zwar war die Ausbeute noch gering, doch sie stellten einige grundlegende Vorteile fest. So benötigen die schwingenden Elektronen im Metall weniger Energie, um zur Reaktion beizutragen, als für die Bildung von Elektronen-Loch-Paaren in Halbleitern nötig ist. Außerdem bewahren die metallischen Strukturen besser die Ladung und verhindern eine unerwünschte Rekombination der Ladung.

Ein anderes Team um Hiroaki Misawa an der Hokkaido University im japanischen Sapporo fand 2014 heraus, wie sich mit Plasmonen die Wasserspaltung verbessern lässt. Die japanischen Wissenschaftler verwendeten Einkristalle aus Strontiumtitanat, die sie mit Gold-Nano-partikeln verbanden. Beim Bestrahlen mit sichtbarem Licht entstand der begehrte Wasserstoff.

Heiße Elektronen am Werk

Licht erzeugt in Nanopartikeln durch das Anregen von Plasmonen „Hot Spots“, schreibt der Chemiker Horst Kisch in seinem Buch „Licht“. Dadurch verstärkt sich das elektrische Feld um die Teilchen bis zum Tausendfachen, was Reaktionen wie die Wasserspaltung beschleunigt. Wenige Elektronen besitzen dann viel Energie. Auch der Hamburger Physiker Holger Lange nutzt diese „heißen“ Elektronen. Sie können aus dem Nanogold heraustreten und an der gewünschten Reaktion teilnehmen. Dadurch stehen mehr Elektronen für die Spaltung des Wassers bereit.

Lange leitet eine Arbeitsgruppe, die in ersten Experimenten gezeigt hat, wie sich die katalytischen Reaktionen mit sichtbarem Licht beschleunigen lassen. Deutliche Fortschritte werden wohl aber noch etliche Jahre brauchen, denn am Ablauf der Reaktion ist einiges noch nicht verstanden, betont Lange. Inzwischen haben zwar auch andere Forscher nachgewiesen, dass Nanopartikel die Wasserspaltung beflügeln. Doch bislang kann niemand konkrete Zahlen dafür angeben, wie effizient die Wasserstoff-Erzeugung mit Licht und Unterstützung durch Plasmonen künftig einmal sein kann.

Auf der Suche nach einer Theorie

Zu vieles an den Reaktionen gibt noch Rätsel auf. Um das zu ändern, erforscht Stefanie Gräfe von der Universität Jena die Grundlagen des Prozesses. Die Chemikerin hat 2018 von der Europäischen Forschungsgemeinschaft knapp zwei Millionen Euro erhalten, um zu untersuchen, was genau passiert, wenn Licht auf eine Grenzfläche zwischen zwei Materialien trifft. „Noch gibt es dazu keine stimmige Theorie“, sagt sie. Gräfe analysiert die plasmonischen Effekte durch Simulationen am Computer. Sie hofft so da-
hinterzukommen, wie Licht chemische Reaktionen an der Oberfläche kleiner Metallteilchen beeinflusst.

Wenn künftig einmal, wie von etlichen Experten prophezeit, auf Dächern, an Fassaden oder in der Kleidung Solarzellen stecken und aus Sonnenenergie elektrischen Strom erzeugen, dann sind organische Solarzellen aus halbleitenden Kunststoffen dafür eine gute Wahl. Denn sie sind leicht, flexibel und lassen sich preisgünstig produzieren. Nur der geringe Wirkungsgrad ist unbefriedigend. So kamen Fraunhofer-Forscher selbst unter idealen Laborbedingungen bislang nicht über knapp 15 Prozent hinaus.

Nanostäbchen in der Solarzelle

Das könnten integrierte Nanopartikel ändern. Omar M. Ramahi von der kanadischen University of Waterloo stellte Anfang 2021 mehrere Ideen dafür vor, wie plasmonische Nanopartikel Solarzellen verbessern könnten. Eine Möglichkeit ist es demnach, nanometerkleine Teilchen aus Gold und Silber in die aktive Schicht der Solarzellen einzubauen.

Die Folge: Die beiden Edelmetalle verstärken die Lichtausbeute im sichtbaren und im infraroten Spektralbereich. Einige Forscher experimentieren mit alternativen Formen der Partikel. Denn die müssen nicht unbedingt Kugeln sein, sondern können auch wie Sterne aussehen. Ein chinesisches Team um Wallace Choy von der University of Hong Kong hat mit solchen „Nanostars“ bei einer organischen Solarzelle einen Wirkungsgrad von knapp 11 Prozent erreicht.

Doch nicht nur Solarzellen aus Kunststoff können von Plasmonen profitieren. Der Plasmonenforscher Atwater will den Effekt nutzen, um die Ausbeute kristalliner Solarzellen zu verbessern – zum einen indem die kollektiven Elektronenschwingungen das nutzbare Lichtspektrum der Solarzellen erweitern. Denn Nanopartikel können auch den infraroten Anteil des Lichts für die Erzeugung von elektrischem Strom nutzbar machen. Zum anderen können eine geschickte Anordnung und unterschiedliche Geometrien das Licht gezielt lenken und dadurch besser nutzbar machen.

Solarzellen: dünner und billiger

Die Nanopartikel fungieren dann als eine Art Antenne für das Sonnenlicht. Sie saugen es sozusagen an und fokussieren es auf das halbleitende Material der Solarzelle, erklärt Holger Lange. Die winzigen Teilchen streuen das Licht mehrfach und schließen es dadurch besser in die Solarzelle ein, weil es einen längeren Weg darin zurücklegt. Der kalifornische Materialwissenschaftler Atwater spricht sogar von einer künftig möglichen Revolution bei hocheffizienter Photovoltaik, wobei die bislang als theoretische Obergrenzen für den Wirkungsgrad der Solarzellen betrachteten Werte noch übertroffen werden können. Er ist überzeugt, dass sich Solarzellen zugleich dünner und kostengünstiger produzieren lassen.

Allerdings: Für das Gelingen der Energiewende ist nicht nur jedes Prozent an besserem Wirkungsgrad wichtig. Auch das klimaschädliche Zuviel an Kohlendioxid (CO2) in der Atmosphäre beschäftigt Forscher, die einen Teil des Gases mithilfe von Plasmonen direkt aus der Luft entfernen wollen. Daraus könnte dann ein wichtiger Industrierohstoff werden. Ende 2020 veröffentlichten Wissenschaftler des National Institute of Standards and Technology (NIST) in den USA im Fachmagazin Nature, wie sie mit einem chemischen Verfahren CO2 aus den Abgasen fossiler Kraftwerke einfangen und bei normaler Umgebungstemperatur in Kohlenmonoxid (CO) umwandeln wollen.

Üblicherweise erfordert diese Reaktion Temperaturen von rund 700 Grad Celsius. Doch die NIST-Forscher schaffen es bei um mehrere Hundert Grad Celsius niedrigeren Temperaturen. Ihr Trick: Anstelle von Wärmeenergie nutzen sie die Energie von Oberflächenplasmonen. Dafür setzen die Forscher Aluminium-Nanopartikel ein, die sich auf einer Schicht aus Grafit befinden. Strömt Kohlendioxid daran vorbei, reduziert der Kohlenstoff des Grafits das Gas – und CO entsteht: ein Vorprodukt, aus dem sich später flüssige Kohlenwasserstoffe oder Industriechemikalien wie Methan und Ethanol herstellen lassen.

Plasmonen im Schornstein

Zwar experimentieren die Experten am NIST bislang nur im Labor, doch sie betonen: Grundsätzlich wäre es möglich, die Technik so anzupassen, dass die plasmonischen Partikel direkt im Schornstein eines Kraftwerkes sitzen. Die Forscher schlagen vor, lose Kohlenstoff-Partikel und die Aluminium-Teilchen zusammen in eine transparente Hülle zu packen. Dieses Päckchen soll dann so über dem Schornstein befestigt werden, dass einfallendes Licht die Reaktion am vorbeiströmenden Abgas auslöst. Momentan steckt dieses Konzept aber noch im Sta-dium der Grundlagenforschung.

So ist es auch mit den meisten anderen Technologien, die auf Plasmonen beruhen. Doch auf lange Sicht könnten sie eine enorme Bedeutung erlangen. So zählt das deutsche Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF in seiner Technologievorschau für 2030 plasmonische Solarzellen zu den möglichen Anwendungen mit „hohem Potenzial“.

Doch Holger Lange betrachtet die katalytische Wasserspaltung mit tanzendem Gold noch als fernen Traum. Doch Wasserstoff ist sehr begehrt, und derzeit boomt die Nachfrage nach Anlagen für die großtechnische Wasserstoff-Produktion. Prognosen des Frankfurter Beratungsunternehmens PriceWaterhouseCoopers zufolge soll sich der weltweite Bedarf bis 2050 fast verzehnfachen. Zwar stehen derzeit eher große Anlagen mit Elektrolyseuren im Vordergrund, zusammen mit einem massiven Ausbau der Nutzung erneuerbarer Energiequellen. Doch diese Technologien ebnen auch den Weg für Alternativen, die nur mit Licht auskommen – und einer Prise Nanometall.