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H2 aus Licht und Wasser

Claudia Turro und ihre Kollegen Whittemore, Xue, Huang und Gallucci von der Ohio State University haben einen Rhodiumkatalysator vorgestellt, der bei der Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser und Licht einen bisher unerreicht hohen Wirkungsgrad erzielt.

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Im Gegensatz zu bereits gefundenen Katalysatoren kann er das gesamte Lichtspektrum der Sonne, einschließlich der am wenigsten energiereichen Rot- und Infrarotanteile nutzen. Im Bereich der Grundlagenforschung ist die gesteigerte Effizienz schon ein großer Fortschritt – auch, wenn man damit noch weit von einer Anwendung entfernt ist. Erstens will man weg vom teuren Rhodium und zweitens funktioniert das Modell bislang nur mit einer Säure als Protonenlieferant, nicht aber mit reinem Wasser.

Gedankenspielen mit H2

Das Konzept könnte im weiteren Sinn einmal zur Energiewende passen. Soll Strom künftig zunehmend aus erneuerbaren Quellen kommen, gehören im Sinne der Versorgungssicherheit entsprechende Möglichkeiten, Energie zu speichern und zu verteilen. In den Gedankenspielen hat Wasserstoff als möglicher Energieträger eine feste Rolle. Er könnte überschüssigen Strom an windigen und/oder sonnigen Tagen speichern und bei Bedarf beispielsweise in Brennstoffzellen Strom und Wärme erzeugen.

Man könnte ihn auch direkt ins Erdgasnetz einspeisen oder methanisieren, also in synthetisches Erdgas umwandeln. Energieversorger könnten so auch der Industrie nachhaltigen Wasserstoff liefern – heute wird er noch unter Abgabe von CO2 aus fossilem Methan gewonnen. Bei zunehmender Sektorkopplung stiegen dabei Effizienz und Energieversorgungssicherheit. Nichts davon existiert heute in ausreichendem Maßstab für eine Wasserstoffwirtschaft.

Wasserstoff aus Licht kann H2-Wirtschaft ergänzen

Innerhalb bestimmter Nischen einer möglichen Wasserstoffwirtschaft könnte es interessant werden, Wasserstoff ohne effizienzmindernden Umweg über die Stromproduktion direkt aus Licht zu gewinnen. Ob, ab wann, oder wie lange sich das lohnt, bestimmt dann die Entwicklung der Energieerzeugung. Zahlreiche Institute und Wissenschaftler arbeiten aber bereits heute an Lösungen. So haben letztes Jahr Wissenschaftler der TU Ilmenau in einer Solarzelle, die mit dem erzeugten Strom Wasser elektrolysiert, einen Wirkungsgrad von über 19 Prozent erreicht, von in ihrem Konzept maximal etwa möglichen 23.

Die meisten dieser Ansätze zur Solar-H2-Produktion beruhen auf einer Kombination von Molekülen für die Aufspaltung in Sauerstoff und Wasserstoff. Die Wasserstoffseite dieses Prozesses erzeugt mit einem Licht absorbierenden Photosensibilisator (in Pflanzen ist das Chlorophyll) angeregte Elektronen. Diese Elektronen werden in einen Wasserstoff erzeugenden Katalysator mit zwei Protonen zu Wasserstoffgas zusammengesetzt. Bei der Ladungsübertragung vom Lichtabsorber zum Katalysator geht allerdings Energie verloren.

Zwei Schritte zugleich

Turro versuchte daher, beide Schritte im selben Molekül zu erreichen, was mit den bisher untersuchten Katalysatoren für die Wasserstofferzeugung nicht gut funktionierte. Sie erwiesen sich als instabil, wenig effizient und gänzlich untätig im Spektralbereich roten oder infraroten Lichts. Der neu entwickelte Katalysator enthält zwei aneinander gebundene Rhodiumatome, flankiert von zwei Ligandenpaaren, Benzo [c] cinnolin und N, N-Diphenylformamidat.

Diese tragen zur Verkürzung der Rhodiumatombindung bei, wodurch sich das Energieniveau des Komplexes ändert. Gleichzeitig verlängert es die Dauer des angeregten Zustands, Schlüsselfaktor für seine verbesserte Leistung, wie es C&EN zusammenfasst. Laut Veröffentlichung der Wissenschaftler soll ein einzelnes Katalysatormolekül unter Rotlicht bis zu 28 H2-Moleküle pro Stunde und an einem ganzen Tag durchschnittlich 170 Wasserstoffmoleküle (+/- 5) produzieren können.

Billigeres Übergangselement gesucht

Die Grundlagenforschung zeigt bisher nur, dass solche Katalysatoren einen deutlich höheren Wirkungsgrad bieten könnten als solche, in denen ein zusätzlicher Sensibilisator nötig ist. Sollten sie in Zukunft einmal funktionieren, müssen sie zunächst mit anderem Methoden zur Herstellung erneuerbaren Wasserstoffs gleichziehen, beispielsweise mit der Nutzung des Stroms aus der Photovoltaik. In welchem Maße man sie vielleicht einmal brauchen kann, hängt von der Entwicklung des gesamten Systems der Energieproduktion ab. Man rechnet aber offenbar ziemlich fest mit Nischenanwendungen.

Eine Besonderheit der Grundlagenforschung ist ihre relative Unabhängigkeit. Projekte zur Photokatalyse werden zwar finanziell gefördert, dennoch geht das Team ohne sichere Perspektive für eine mögliche Wasserstoffwirtschaft derweil den nächsten, winzigen Schritt. Es versucht, Rhodium durch ein weniger seltenes, billigeres Übergangselement zu ersetzen.

(fpi)