Gesundheit : Energie nach dem Vorbild der Pflanzen

Veronika Winkler

Wasserstoff ist wohl der "grüne" Treibstoff schlechthin. Das leichteste aller Gase hinterlässt beim Verbrennen Wasserdampf und sonst gar nichts. In Verknüpfung mit erneuerbaren Energiequellen gilt Wasserstoff als einer der Energieträger der Zukunft.

Forscher um Zhigang Zhou vom National Institute of Advanced Industrial Science and Technology in Japan haben nun eine elegante Methode zur Gewinnung von Wasserstoff entwickelt. Im Wissenschaftsmagazin "Nature" (Band 414, Seite 625) stellen sie eine Solarzelle vor, die bei Beleuchtung mit einer Xenon-Bogenlampe Wasser direkt in Wasserstoff und Sauerstoff umwandelt.

Vom Chemieunterricht her ist bekannt, dass Wassermoleküle elektrolytisch in die Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt werden können. Für die großtechnische Wasserspaltung braucht man große Mengen an Elektrizität, die beispielsweise von Solarzellen geliefert werden könnten. Wesentlich eleganter wäre es aber, das Sonnenlicht direkt für die Wasserstoffgewinnung auszunutzen, wie es die Natur bei der Photosynthese macht.

Diesem Ziel sind die japanischen Wissenschaftlern jetzt näher gekommen. Zwar bauten andere Teams breits früher ähnliche Solarzellen, die zu den Photokatalysatoren gehören und im Wasserbad betrieben werden. Sie bringen die Wasserzersetzung in Gang, ohne selbst dabei angegriffen zu werden.

Zufriedenstellende Ergebnisse wurden aber bisher nur mit Zellen erreicht, die mit UV-Licht arbeiten. Es hebt die Elektronen in der Zelle über eine "Bandlücke" hinweg in ein höheres Energieniveau. Wird die Energie wieder abgegeben, setzt sie Wasserstoff im umgebenden Wasser frei. Trotz zunächst ermutigender Ergebnisse waren die Entwickler nicht zufrieden.

Denn ein großer Teil der Sonnenenergie muss bei diesen Solarzellen ungenutzt bleiben, da die Sonne einen beträchtlichen Teil ihrer Energie im sichtbaren Bereich, aber nur vier Prozent im UV-Licht abstrahlt. So war es naheliegend, nach Materialien zu suchen, die auch bei sichtbarem Licht funktionieren. Bisher haben die Forscher aber keine großen Erfolge verbuchen können. Entweder produzierten diese Materialien, meist Metalloxide, einfach zu wenig Wasserstoff, oder sie korrodierten nach längerem Gebrauch.

Im Gegensatz dazu ist der Photokatalysator der Japaner sehr beständig. Das Team verwendete mit Indium-Tantal-Oxid ein Ausgangsmaterial, das bei Bestrahlung mit Licht bereits Wassermoleküle spalten kann. Wegen der recht breiten Bandlücke ist der Ertrag an Wasserstoff jedoch gering. Die Forscher mischten dem Material geringe Mengen Nickel bei, worauf sich seine Kristallstruktur und auch seine Festkörpereigenschaften veränderten.

Nun reichte die Energie des sichtbaren Lichts aus, die Elektronen über die mehr als 10 Prozent verkleinerte Bandlücke zu befördern, und die Forscher registrierten einen deutlich angestiegenen Wirkungsgrad. Zwar verwertet der neue Photokatalysator nur rund sieben Promille des einfallenden Lichts. Trotzdem scheint wenig Konkurrenz in Sicht, und auch andere Wissenschaftler sehen nun einen neuen Hoffnungsschimmer.

"Hier gibt es noch viel zu tun", meint etwa der Chemiker Akihiko Kudo von der Science University in Tokio, der ebenfalls an dem Problem geforscht hat. "Wahrscheinlich aber wird diese Arbeit den Verlauf der zukünftigen Forschung beeinflussen." Zhou und seine Kollegen geben sich zuversichtlich. Einerseits wollen sie noch die chemische Zusammensetzung ihres Photokatalysators optimieren. Außerdem haben sie vor, seine Oberfläche zu vergrößern. Dadurch soll die Wasserstoffausbeute noch weiter gesteigert werden.

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