Mittels der Photokatalyse kann Wasserstoff direkt aus Wasser gewonnen werden.

Neues Verfahren zur Wasserstoffgewinnung Brennstoffzellen aus Wasser

13.04.2017

Bei der Herstellung von Wasserstoff für Brennstoffzellen entstehen Treibhausgase. Nicht so bei einer neuen Alternative - der photokatalytischen Wasserspaltung.

Wasserstoff hat das Zeug zum Energieträger der Zukunft: Allein bis 2019 stellt die Bundesregierung eine Viertelmilliarde Euro zur Verfügung, um Wasserstoffautos massentauglich zu machen. Leider ist jedoch die Herstellung von Wasserstoff nicht besonders umweltschonend.

Wasserstoffgewinnung mit Photosynthese

An der Universität in Ulm erforscht Professor Sven Rau, Leiter des Instituts für Anorganische Chemie I, zusammen mit seinem interdisziplinären Team eine mögliche Alternative: Die Photokatalyse. Bei dieser Form der künstlichen Photosynthese wird Wasser mithilfe von Sonnenenergie in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufgetrennt. Dabei dient ein spezieller Metallkomplex als Lichtfänger. Im Laufe des Prozesses gibt das Metall ein Elektron ab, das auf das Reaktionszentrum aus Platin oder Palladium springt. Dort kann dann der Wasserstoff hergestellt werden. Das Problem: Bisherige Photokatalysatoren sind für die massenhafte Nutzung nicht aktiv genug.

Katalysatorenbestimmung leicht gemacht

Die Ulmer Forschergruppe konnte an der TU in Mannheim ein Verfahren nutzen, das die Bestimmung von wasserspaltenden Photokatalysatoren um einiges beschleunigt und vereinfacht. Was früher Jahre in Anspruch genommen hat, konnte innerhalb von wenigen Tagen bestimmt werden. Unterstützung erhielten die Forscher dabei von Dr. Maxim Gelin von der TU München. Herzstück des Versuchsaufbaus ist eine Ionenfalle in einem Massenspektrometer.

„In der Gasphase werden die Katalysatormoleküle auf einer Kreisbahn gehalten und stetig mit Laserimpulsen beschossen, wobei die Moleküle einzelne Bestandteile verlieren. Dadurch lässt sich das Springen der Elektronen verfolgen und wir gewinnen gleichzeitig Informationen zur Stabilität des Photokatalysators“, erklären Rau und PD Dr. Christoph Riehn von der TU Kaiserslautern, die das Verfahren als Star Wars im Reagenzglas bezeichnen.

Anhand der untersuchten Katalysatoren konnte gezeigt werden, dass auch in der Gasphase Stabilität vorliegt. Zudem fanden sich Hinweise auf ein ultraschnelles Springen von Elektronen vom Triebwerk zum katalytischen Reaktionszentrum. So wurde die Funktionalität des neuen Verfahrens anhand detailliert untersuchter Modellkatalysatoren nachgewiesen.

Optimierungspotenzial

Das Verfahren bietet zahlreiche Vorteile: Man benötigt deutlich weniger Material und auch der Anspruch an die Reinheit der Katalysatoren ist geringer. Hinzu kommt, dass sich nun viele Eigenschaften in einem Schritt bestimmen lassen. Im nächsten Schritt will die Arbeitsgruppe um PD Dr. Christoph Riehn alternative, weniger seltene Materialien für das Photoreaktionszentrum finden. Derzeit ist Eisen ein vielversprechender Kandidat. Auch die Wasseroxidation funktioniert noch nicht und muss optimiert werden.

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