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News: Zauberpulver spaltet Wasser

Pflanzen nutzen die Photosynthese, um den Energielieferanten Zucker aufzubauen. An diesem Prinzip der Natur nahmen sich japanische Forscher ein Beispiel: Sie entwickelten einen Katalysator, der Wasser spaltet und Wasserstoff freisetzt. Dabei benötigt der Prozess lediglich die Energie des Lichts, um den umweltfreundlichen Treibstoff zu erzeugen.
Die Natur kann es, der Mensch will es können: Wasser spalten mit der Energie des Lichts. Anders als die Pflanze ist der Mensch am reinen Wasserstoff interessiert, der bei der Wasserzersetzung frei wird, denn er gilt als umweltfreundlicher Treibstoff der Zukunft. Bei seiner Verbrennung entsteht sehr viel Energie und als einziges Abgas Wasserdampf.

Bisher wird Wasserstoff in der Regel durch Prozesse erzeugt, die – direkt oder indirekt – mit der Emission des Treibhausgases Kohlendioxid verbunden sind. Das könnte sich bald ändern, denn der Japaner Zhigang Zou und seine Mitarbeiter am National Institute of Advanced Science and Technology in Tsukuba haben jetzt einen Katalysator hergestellt, der Wasser mit der Energie des sichtbaren Lichts spaltet.

Basis des so genannten Photokatalysators ist der Halbleiter Indiumtantalat, eine anorganische Verbindung aus Sauerstoff und den Metallen Indium und Tantal. Die Forscher tauschten bis zu 20 Prozent des Indiums durch Nickel aus. Diese so genannte Dotierung des Materials bewirkt, dass sich die Kristallstruktur der Verbindung ändert. Wie sich herausstellte, verringert sich dadurch die Lücke zwischen Valenz- und Leitungsband im Halbleiter. Damit hat es der Katalysator leichter, Licht zu absorbieren, also Elektronen in das Leitungsband zu verschieben und in der Folge Wasser zu spalten.

Das Experiment der Wissenschaftler war einfach: Sie verteilten den Katalysator als Pulver in einer Küvette mit Wasser. Mit einer Blende starteten und stoppten sie die Reaktion, und mit Farbfiltern untersuchten sie, in welchem Bereich des sichtbaren Lichts der Katalysator funktioniert. Die freigesetzten Gase wurden als Wasserstoff und Sauerstoff identifiziert und ihre Menge bestimmt.

Nun sind Photokatalysatoren an sich nichts Neues. Bereits 1972 berichteten Wissenschaftler darüber. Allerdings sind die bisher bekannten Verbindungen instabil oder arbeiten nur mit UV-Licht; sie eignen sich also nicht für den praktischen Gebrauch. Der neu entwickelte Photokatalysator Indiumnickeltantalat hingegen verwertet sichtbares, blaues Licht im Bereich von 420 bis 500 Nanometern. Damit ist er wesentlich effektiver als die alten Materialien. In absoluten Zahlen nimmt sich seine Leistung allerdings immer noch bescheiden aus: Lediglich 0,66 Prozent Lichtausbeute schlagen zu Buche.

Die Wissenschaftler halten eine technische Anwendung des Katalysators für möglich. Dazu muss er allerdings noch effizienter arbeiten. Dies könnte man erreichen, indem man die Oberfläche des Materials vergrößert. In Zukunft ließe sich dann mit Indiumnickeltantalat eine weitere regenerative Energiequelle neben Solarenergie, Wind- und Wasserkraft erschließen.

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