Physikalische Chemie: Auf der Sonnenseite
Die grünen Pflanzen machen es uns vor: Energie aus Licht. Menschliche Techniker tun sich da noch deutlich schwerer. Jetzt gelang es japanischen Chemikern, einen Fotokatalysator zu kreieren, der Licht im sichtbaren Bereich nutzt, um Wasserstoff zu erzeugen.
Energie nutzbar zu machen ist ein zentrales Problem unserer Zivilisation. Könnten wir nicht einfach wie die Grünpflanzen per Fotosynthese Licht in chemische Energie umwandeln? Im Prinzip ja: So lässt sich Wasserstoff fotokatalytisch aus Wasser freisetzen, der Wasserstoff betreibt dann stromerzeugende Brennstoffzellen – eine saubere Energiegewinnung, die ohne fossile Brennstoffe auskommt. An sich sind fotokatalytische Zellen sehr einfach aufgebaut. Den Katalysator in Wasser geben, mit Sonnenlicht bestrahlen und den Wasserstoff auffangen – fertig. Worauf warten wir also noch?
So einfach ist es eben doch nicht. "Alles steht und fällt mit dem Katalysator," erklärt Akihiko Kudo von der Universität Tokio. "Damit das System wirtschaftlich arbeitet, muss der Katalysator das Sonnenlicht effektiv nutzen." Es gibt zwar schon eine ganze Reihe Fotokatalysatoren, die Wasser unter UV-Bestrahlung spalten. Aber dabei wird ein großer Teil des Sonnenlichts nicht genutzt, denn fast alle dieser Katalysatoren können den sichtbaren Lichtanteil nicht verwerten. Kudos Team hat nun einen neuen Katalysator entwickelt, der unter Bestrahlung mit sichtbarem Licht arbeitet.
Warum ist es so schwierig, den "perfekten" Fotokatalysator zu entwickeln? Lichtteilchen sind kleine Energiepakete. Fallen sie auf ein lichtempfindliches Halbleitermaterial, geben sie ihre Energie an dessen Elektronen ab. Ein so angeregtes Elektron kann sich vom Atomverband lösen, wenn seine Energie ausreicht. Das Elektron geht dann von einem Valenzband genannten Energieniveau in das Leitungsband über. Im Valenzband hinterlässt es ein "Loch", das formal wie positiv geladenes Teilchen behandelt werden kann. Zwischen Valenz- und Leitungsband liegt eine verbotene Zone, die "Bandlücke". Diese Energiedifferenz muss zur Wellenlänge des Lichts passen, damit es effektiv absorbiert werden kann.
Mit der richtigen Mischung dotierter Halbleiter gelang es den Wissenschaftlern, ein Material mit passender Bandlücke auszutüfteln: Ihr Katalysator ist eine feste Lösung aus Zinksulfid, Kupfer-Indium-Sulfid und Silber-Indium-Sulfid (ZnS-CuInS2-AgInS2). Beladen mit dem Metall Ruthenium entsteht ein hochaktiver Fotokatalysator mit einer deutlich breiteren Wellenlängenabsorption.
Damit die durch das Licht erzeugten Elektronen und Löcher für chemische Reaktionen, wie der Entstehung von Wasserstoff, zur Verfügung stehen, müssen sie auf gelöste Substanzen übertragen werden. Dies läuft an speziellen reaktiven Stellen auf der Oberfläche des Fotokatalysators ab und funktioniert im konkreten Fall, wenn Sulfide (S2-) und Sulfite (SO32-) als so genannte Opferreagenzien in der Lösung sind, welche die Löcher irreversibel aufnehmen. Positiv geladene Wasserstoff-Ionen nehmen die Elektronen auf und bilden Wasserstoff-Gas.
"Wenn die praktische Anwendung gelingt", meint Kudo, "ließe sich Wasserstoff mit Hilfe unerwünschter Nebenprodukte von Chemieanlagen und Kraftwerken gewinnen: Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid sind die Ausgangstoffe für Sulfide und Sulfite."
So einfach ist es eben doch nicht. "Alles steht und fällt mit dem Katalysator," erklärt Akihiko Kudo von der Universität Tokio. "Damit das System wirtschaftlich arbeitet, muss der Katalysator das Sonnenlicht effektiv nutzen." Es gibt zwar schon eine ganze Reihe Fotokatalysatoren, die Wasser unter UV-Bestrahlung spalten. Aber dabei wird ein großer Teil des Sonnenlichts nicht genutzt, denn fast alle dieser Katalysatoren können den sichtbaren Lichtanteil nicht verwerten. Kudos Team hat nun einen neuen Katalysator entwickelt, der unter Bestrahlung mit sichtbarem Licht arbeitet.
Warum ist es so schwierig, den "perfekten" Fotokatalysator zu entwickeln? Lichtteilchen sind kleine Energiepakete. Fallen sie auf ein lichtempfindliches Halbleitermaterial, geben sie ihre Energie an dessen Elektronen ab. Ein so angeregtes Elektron kann sich vom Atomverband lösen, wenn seine Energie ausreicht. Das Elektron geht dann von einem Valenzband genannten Energieniveau in das Leitungsband über. Im Valenzband hinterlässt es ein "Loch", das formal wie positiv geladenes Teilchen behandelt werden kann. Zwischen Valenz- und Leitungsband liegt eine verbotene Zone, die "Bandlücke". Diese Energiedifferenz muss zur Wellenlänge des Lichts passen, damit es effektiv absorbiert werden kann.
Mit der richtigen Mischung dotierter Halbleiter gelang es den Wissenschaftlern, ein Material mit passender Bandlücke auszutüfteln: Ihr Katalysator ist eine feste Lösung aus Zinksulfid, Kupfer-Indium-Sulfid und Silber-Indium-Sulfid (ZnS-CuInS2-AgInS2). Beladen mit dem Metall Ruthenium entsteht ein hochaktiver Fotokatalysator mit einer deutlich breiteren Wellenlängenabsorption.
Damit die durch das Licht erzeugten Elektronen und Löcher für chemische Reaktionen, wie der Entstehung von Wasserstoff, zur Verfügung stehen, müssen sie auf gelöste Substanzen übertragen werden. Dies läuft an speziellen reaktiven Stellen auf der Oberfläche des Fotokatalysators ab und funktioniert im konkreten Fall, wenn Sulfide (S2-) und Sulfite (SO32-) als so genannte Opferreagenzien in der Lösung sind, welche die Löcher irreversibel aufnehmen. Positiv geladene Wasserstoff-Ionen nehmen die Elektronen auf und bilden Wasserstoff-Gas.
"Wenn die praktische Anwendung gelingt", meint Kudo, "ließe sich Wasserstoff mit Hilfe unerwünschter Nebenprodukte von Chemieanlagen und Kraftwerken gewinnen: Schwefelwasserstoff und Schwefeldioxid sind die Ausgangstoffe für Sulfide und Sulfite."
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