Mit Nanodrähten mehr Wasserstoff gewinnen

Mit Sonnenlicht kann nicht nur elektrischer Strom, sondern auch direkt das energiereiche Gas Wasserstoff erzeugt werden. Für diese solare Spaltung von Wassermolekülen in Sauerstoff und Wasserstoff nutzten nun Forscher winzige Säulen aus Titandioxid, die sie mit Nanopocken aus einem hoch effizienten Lichtfänger beschichtet hatten. Wie sie in der Fachzeitschrift „ACS Central Science“ berichten, könnte dieser Ansatz die derzeit noch geringen Wirkungsgrade der Wasserspaltung signifikant erhöhen.

Mehrere regelmäßig angeordnete quaderförmige Pfosten mit kugelförmigen Noppen unterschiedlicher Größe.
Genoppte Nanodrähte

„Mit dieser Strategie können wir die Effizienz der Materialien für Photoanoden weiter steigern“, sagt Peidong Yang, Chemiker an der University of California in Berkeley, USA. Für den Prototypen eines Reaktors, der solar Wasser spalten soll, ließen Yang und seine Kollegen zuerst millionstel Millimeter dünne Säulen aus Titandioxid auf einer beschichteten Glasplatte wachsen. In diese Säulen wanderten in einer Salzlösung, um die elektrische Leitfähigkeit der Säulen zu erhöhen, Atome des Übergangsmetalls Tantal. Nach einer Hitzebehandlung bei 600 Grad Celsius setzten sich die Tantalatome im Kristallgitter des Titandioxids fest. Wissenschaftler nennen diesen Prozess Dotieren.

Das dotierte Titandioxid leitete Elektronen zwar sehr gut, konnte das zur Wasserspaltung nötige Sonnenlicht aber eher schlecht einfangen. Dieses Problem löste Yang mit winzigen Kügelchen aus Bismutvanadat. Diese Nanopartikel bildeten sich in einer heißen Atmosphäre aus Bismut und einer flüchtigen Vanadiumoxid-Verbindung und setzen sie auf der Oberfläche der Titandioxid-Säulen ab. Erste Versuche zeigten, dass diese genoppten Nanosäulen den blauen Anteil des Sonnenlichts sehr gut absorbierten und dabei Elektronen erzeugten. Die Elektronen wurden von den Säulen aufgenommen und weitergeleitet. Kamen nun Wassermoleküle in Kontakt mit diesen Säulen, nahmen sie die Elektronen auf und spalteten sich in Wasserstoff und Sauerstoff.

Auf möglichst hohe Wirkungsgrade haben Yang und Kollegen ihren solaren Wasserstoff-Reaktor noch nicht getrimmt. Doch sind sie davon überzeugt, dass ihre Kombination aus gutem elektrischen Leiter und effizienten Lichtfängern diese nachhaltige Art der Wasserstoff-Erzeugung voranbringen wird. Sollte dieser Schritt gelingen, könnten in Zukunft Solarkraftwerke nicht nur elektrischen Strom, sondern auch Wasserstoffgas günstig erzeugen.