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Energietechnik: Solarzelle spaltet Wasser ohne Umweg

Eine neuartige Solarzelle nutzt Sonnenenergie, um Wasser direkt zu spalten und Wasserstoff als Energieträger zu gewinnen. Der Prototyp ist zwar noch deutlich ineffektiver als bereits bestehende Verfahren, biete aber einen bislang vernachlässigten Ansatz zur Sonnennutzung, meinen Thomas Mallouk und seine Kollegen von der Staatsuniversität von Pennsylvania.

Die Solaranlage der Forscher arbeitet nach dem Prinzip der Grätzelzelle, bei der die einfallende Strahlung Elektronen aus den Molekülen einer Materialschicht herausschlägt. Die frei gewordenen Ladungsträger gelangen dann in eine Leiterschicht und fließen dort als elektrischer Strom. Bei der Anordnung von Mallouk und Kollegen werden die Elektronen hingegen gezielt in einen Katalysator geleitet, in dem sie schließlich Wassermoleküle in Sauerstoffionen und Protonen spalten.

Bislang litten ähnliche Prototypen daran, dass die freigesetzten Elektronen zu schnell wieder von dem Ausgangsmaterial eingefangen wurden und gespaltene Sauerstoff- und H+-Ionen häufig wieder miteinander reagierten. Mallouk und Co verhindern dies weitgehend durch eine räumlich optimierte Anordnung: Sie entwickelten etwa zwei Nanometer große Molekülkomplexe, bei denen eine Schicht auf Rutheniumbasis die Nanokatalysatoren aus Iridiumoxid umgibt.

Wasser wird in dieser neuen Apparatur dabei etwa tausend mal schneller gespalten als in den bisher getesteten ähnlichen Anordnungen. Damit sei eine Umsetzungsgeschwindigkeit erreicht, die auch bei den Enzymsystemen der Fotosynthese treibenden grünen Pflanzen kaum überschritten wird.

Die Forscher geben allerdings zu Bedenken, dass die Zelle noch deutlich zu ineffektiv arbeitet. So werden etwa nur rund ein Prozent der eingestrahlten Energie zur Wasserspaltung genutzt. Dieser Wert ließe sich aber durch einen weiter optimierten Aufbau zur besseren Kanalisation der freigesetzten Elektronen auf etwa zehn Prozent steigern, hofft Mallouks Team. (jo)

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