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News: Sonnige Elektrolyse

In jedem Schullabor lässt sich aus Wasser mit Hilfe der Elektrolyse Wasserstoff - vielleicht der Energielieferant der Zukunft - gewinnen. Doch dazu benötigt man Strom, der meist unter Ausstoß von Kohlendioxid aus fossilen Brennstoffen gewonnen wird, oder einfach nur Sonnenlicht und Titanweiß.
Wasserstoff ist schon ein toller Rohstoff: Er verbrennt umweltfreundlich zu Wasser, liefert dabei direkt Strom und lässt sich aus dem fast unerschöpflichen Vorrat der Ozeane gewinnen. Da gibt es nur ein kleines Problem: Für seine Gewinnung aus Wasser mit Hilfe der Elektrolyse benötigt man Strom, der wiederum meist in Kohlekraftwerken oder Atomreaktoren erzeugt wird. Noch dazu gebietet der unerbittliche Energieerhaltungssatz: Die gleiche Menge Strom, die nachher bei der Verbrennung fließt, muss auch vorher bei der Gewinnung aufgebracht werden.

Einen möglichen Ausweg bietet schon seit längerem die so genannte Photoelektrolyse, die ähnlich wie eine konventionelle Elektrolyse abläuft, aber den benötigten Strom mit Hilfe von Sonnenlicht erzeugt – und zwar ohne Solarzelle.

Dazu werden zwei miteinander verbundene Elektroden ins Wasser getaucht. Wenn dann die Sonne darauf scheint, scheidet sich nach einiger Zeit Wasserstoff und Sauerstoff ab, wobei der benötigte Strom auf photochemischem Wege entsteht: Denn eine der beiden Elektroden wurde vorher mit einem geeigneten Katalysator überzogen, der durch Lichtstrahlen elektrisch angeregt wird und Ladungen frei gibt, die dann zur anderen Elektrode fließen.

Doch damit dieser Prozess wirtschaftlich wird, muss der Katalysator drei Bedingungen erfüllen: Er sollte günstig sein, er darf nicht unter Sonneneinstrahlung zerfallen und außerdem sollte er möglichst viele Photonen aus dem Sonnenspektrum absorbieren, damit sich die Energie möglichst effizient nutzen lässt.

Titandioxid (TiO2) beziehungsweise die Farbe Titanweiß, die Lacken oder Sonnenmilch beigemengt wird, erfüllt immerhin die ersten beiden Bedingungen sehr gut. Nur beim letzten Punkt, da haperte es bisher immer, denn Titandioxid absorbiert nur UV-Licht und damit einen sehr kleinen Anteil des Sonnenspektrums.

Doch jetzt gelang es Shahed Khan und seinen Kollegen von der Duquesne University in Pittsburgh, diesen Anteil signifikant zu steigern. Sie modifizierten Titandioxid so, dass es auch auf blaue und grüne Wellenlängen reagierte. Der Trick dabei: Die Forscher verunreinigten Titandioxid.

Dazu rösteten die Wissenschaftler in einem Hochofen Titan bei konstant 850 Grad Celsius – in einer Atmosphäre aus Erdgas. Hierbei verbrannte vor allem Methan und es entstand Wasserdampf, der das Titan oxidierte, CO2 und andere Kohlenstoffverbindungen. Letzteres hatte zur Folge, dass sich an einigen Stellen im Kristallgitter des Titandioxids statt Sauerstoff Kohlenstoff anlagerte. Und genau diese Dotierungen – so stellten die Chemiker fest – machen das Material viel empfänglicher für Sonnenlicht.

Es gelang auf Anhieb 8,5 Prozent der Sonnenenergie zur chemischen Wasserspaltung zu verwenden – eine Steigerung um mehr als das Achtfache gegenüber unbehandeltem Titandioxid. Damit übersprangen die Forscher sogar beinahe die Hürde von zehn Prozent, bei der die Photoelektrolyse für die Wirtschaft interessant wird.

Und genau diese Hürde hoffen Khan und seine Kollegen in nächster Zeit zu nehmen, indem sie einfach noch etwas mehr Kohlenstoff in das Titandioxid einbauen. Gelänge dies, würde eine wirtschaftliche Nutzung des Wasserstoffvorrats der Meere noch näher rücken. Und alles, was man dazu bräuchte, wäre nur eine winzige Menge Kohlenstoff, etwas weiße Farbe und viel Sonnenschein.

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