Wasserstoff aus Wasser und Sonne gwinnen – das wäre eine Lösung für viele Energieprobleme. Ein australisch-amerikanisches Forscherteam hat einen Katalysator entwickelt, der eine der Teilreaktionen, die Photo-Oxidation von Wasser, effektiv katalysiert.
Wasserstoff gilt als einer der wichtigsten Energieträger der Zukunft. Ideal wäre es, Wasserstoff nicht aus fossilen Rohstoffen, sondern durch die Spaltung von Wasser zu gewinnen. Die Elektrolyse von Wasser ist allerdings ein extrem energieintensives Verfahren und damit nicht nur teuer, sondern auch nicht wirklich nachhaltig, wenn der notwendige Strom wiederum aus fossilen Brennstoffen erzeugt würde. Die Photolyse, das heißt die Spaltung des Wassers durch Licht, ist eine viel versprechende Alternative.
Stromfresser Elektrolyse
Eine Elektrolyse ist die Umkehrung der Vorgänge in einer Batterie: Elektrische Energie wird in chemische umgewandelt. Die Elektrolyse von Wasser besteht aus zwei Teilreaktionen: Im Kathodenraum werden Protonen, positiv geladene Wasserstoffionen, zu Wasserstoff reduziert, im Anodenraum wird durch die Oxidation von Wasser Sauerstoff gebildet. Um diesem stromintensiven Verfahren auf die Beine zu helfen, liegt es nahe, das Sonnenlicht zu nutzen.
Die größte Hürde auf dem Weg zur photokatalytischen Wasserspaltung war bisher jedoch, dass noch kein robuster Katalysator für die Wasseroxidation gefunden werden konnte. Tatsächlich ist der am besten bekannte Katalysator, der Wasser unter Bestrahlung mit sichtbarem Licht sehr effektiv oxidiert, ein manganhaltiges Enzym aus dem Photosyntheseapparat lebender Organismen.
Mangan-Komplex nach Vorbild der Natur
Robin Brimblecombe und Leone Spiccia von der Monash University in Australien, Gerhard F. Swiegers von der australischen Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO) sowie G. Charles Dismukes von der Princeton University in den USA haben nun auf Basis dieser Struktur einen Photokatalysator entwickelt, der die Photo-Oxidation von Wasser, effektiv katalysiert.
Sein Herzstück ist ein manganhaltiger Komplex, der von photosynthetischen Organismen abgeschaut wurde. Es handelt sich dabei um einen Mangan-Oxo-Komplex mit einem würfelförmigen Kern aus vier Mangan- und vier Sauerstoffatomen, der von Phosphinatmolekülen eingekapselt wird. Die eigentliche katalytisch aktive Schicht entsteht, wenn Lichtenergie ein Molekül aus der Kapsel freisetzt.
Membran stabilisiert Katalysator
Allerdings ist der Mangan-Komplex nicht in Wasser löslich. Die Forscher umgingen dieses Problem, indem sie eine Elektrode mit einer hauchdünnen Membran beschichteten. Eingelagert in die wässrigen Kanälchen dieser Membran wird der katalytische Komplex stabilisiert und kommt mit den Wassermolekülen gut in Kontakt. Bestrahlen mit sichtbarem Licht bei einer angelegten Spannung von 1,2 Volt führt zu einer effektiven Elektrooxidation von Wasser.
Diese anodische Halbzelle ließe sich einfach mit einer katalytischen wasserstofferzeugenden Kathodenzelle paaren. So könnte zukünftig eine photoelektrochemische Zelle entstehen, die reinen Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser und Sonnenlicht herstellt.
(Gesellschaft Deutscher Chemiker, 27.08.2008 – NPO)
