Wasserstoff aus Sonnenlicht und Wasser

Amerikanischen Wissenschaftlern ist es gelungen, Wasserstoff direkt aus Sonnenlicht und Wasser herzustellen. Die Wissenschaftler der Duquesne-Universität in Pittsburgh verwendeten dazu einen Katalysator aus Titandioxid, der das Wasser unter Sonneneinstrahlung in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Dabei wurde ein Wirkungsgrad von 8,5 Prozent erreicht. Ab 10 Prozent könnte ein solches Verfahren wirtschaftlich arbeiten, schätzen Experten.

Auf der Suche nach einer günstigen Methode zur Wasserstoffgewinnung experimenieren Elektrochemiker bereits seit dreißig Jahren mit Titandioxid. Die metallische Verbindung ist billig herzustellen und wird bereits in vielen anderen Bereichen der Chemie eingesetzt. Wie alle Halbleiter kann Titandioxid Lichtteilchen – Photonen – aufnehmen. Dabei entstehen elektrische Ladungen, die Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegen – wie in einer gewöhnlichen Elektrolysereaktion, bei der Plus- und Minuspol einer Spannungsquelle ins Wasser getaucht werden.

Bisherige Katalysatoren aus Titandioxid konnten für diese Reaktion allerdings nur die Energie des ultravioletten Anteils des Sonnenlichts nutzen. Nur rund ein Prozent der Sonnenenergie wird dabei in chemische Energie in Form von Wasserstoff umgesetzt. Ursache dieses schlechten Wirkungsgrads sind Verunreinigungen im Katalysatormaterial, die bei der Herstellung von Titandioxid aus Titan entstehen, fanden die Wissenschaftler um den Chemiker Shahed Khan heraus.

Auf der Suche nach besseren Herstellungsverfahren entwickelten die Forscher eine Art Brennofen und „rösteten“ das Metall in einer Erdgasflamme bei Temperaturen von 850 Grad Celsius zu Titandioxid. Da bei der Verbrennung von Erdgas mit seinem Hauptbestandteil Methan Kohlendioxid frei wird, fanden sich in dem entstehenden Material Spuren von Kohlenstoff.

Zu ihrer Verwunderung stellten die Wissenschaftler fest, dass diese Art von Verunreinigung geradezu Wunder wirkte: Das Titandioxid konnte jetzt nicht nur ultraviolettes Licht absorbieren, sondern auch Licht größerer Wellenlängen. Der Wirkungsgrad schnellte auf das achtfache und damit auf rund 8,5 Prozent nach oben.

Für einen wirtschaftlichen Betrieb müsste eine Effizienz von mindestens 10 Prozent erreicht werden, haben Experten der US-amerikanischen Energiebehörde ausgerechnet. Khan und sein Team sind zuversichtlich, diese Schallmauer mit einem verbesserten Verfahren durchbrechen zu können. Ein höherer Anteil Kohlenstoff im Katalysatormaterial wird das entscheidene Plus bringen, so Khan.