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Von Pflanzen abgeschaut: Katalysator erleichtert Wasserstoff-Herstellung

Mit Hilfe von Licht Wasserstoff produzieren - diesem Traum sind Chemiker ein Stück näher gekommen. Sie haben einen Katalysator entwickelt, der in ähnlicher Form in Pflanzen vorkommt und das Aufspalten von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff unterstützt.

Das Wasserstoffzeitalter hat begonnen - das behaupten immer mal wieder Politiker oder Wissenschaftler. Freilich ist eines der zentralen Probleme dabei noch nicht gelöst: Wo soll der viele Wasserstoff herkommen, der eines Tages Autos antreiben und Strom erzeugen wird? Ein mit Brennstoffzellen bestücktes Fahrzeug mag nur Wasser emittieren und somit das Klima schonen. Wenn bei der Wasserstoffherstellung allerdings große Energiemengen verpulvert werden, macht das den Klimaschutzeffekt womöglich wieder zunichte.

Brennstoffzelle im Airbus ATRA des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt: Einzige Energiequelle Sonnenlicht?
SPIEGEL ONLINE

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Ein australisch-amerikanisches Forscherteam berichtet nun über einen Durchbruch bei der sogenannten Photolyse - der Aufspaltung von Wasser durch Licht. Sie gilt als vielversprechende Alternative zur extrem energieintensiven Elektrolyse, bei der Wasser allein mit Hilfe von Strom in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird. Die Photolyse findet auch in Grünpflanzen statt - als Teil der Photosynthese.

Ein australisch-amerikanisches Forscherteam hat nun einen Katalysator entwickelt, der eine der notwendigen Photolyse-Teilreaktionen effektiv unterstützt. Das Herzstück des Katalysators ist ein manganhaltiger Komplex, der von Pflanzen mit Photosynthese abgeschaut wurde. Dies berichten Leone Spiccia von der Monash University im australischen Victoria und seine Kollegen im Fachblatt "Angewandte Chemie".

Ziel der Forscher ist eine durch diesen Katalysator beschleunigte Elektrolyse des Wassers, wobei der notwendige Strom aus modernen, hocheffektiven Solarzellen stammen soll. Die Wasserstoffproduktion würde somit als einzige Energiequelle das Sonnenlicht nutzen.

Licht für Katalysator nötig

Die größte Hürde auf dem Weg zu dieser sogenannten photokatalytischen Wasserspaltung sei bisher, dass noch kein robuster Katalysator gefunden werden konnte, berichten die Forscher. Tatsächlich ist der am besten bekannte Katalysator, der aus Wasser unter Bestrahlung mit sichtbarem Licht sehr effektiv Sauerstoff bildet, ein manganhaltiges Enzym, das lebende Organismen in der Photosynthese nutzen. Diese Struktur nahm das Forscherteam als Vorbild für seinen Photokatalysator.

Es handelt sich dabei um einen Mangan-Oxo-Komplex mit einem würfelförmigen Kern aus vier Mangan- und vier Sauerstoffatomen, der von Phosphinatmolekülen eingekapselt wird. Die eigentliche katalytische Aktivität entsteht, wenn Lichtenergie ein Molekül aus der Kapsel freisetzt.

Allerdings ist der Mangan-Komplex nicht in Wasser löslich. Die Forscher umgingen dieses Problem, indem sie eine Elektrode mit einer hauchdünnen Membran beschichteten. Eingelagert in die wässrigen Kanälchen dieser Membran wird der Katalysator stabilisiert und kommt mit den Wassermolekülen gut in Kontakt. Die sogenannte Elektrooxidation von Wasser, bei der Sauerstoff entsteht, funktionierte effektiv, sofern sichtbares Licht vorhanden und eine Spannung von 1,2 Volt angelegt war.

Dieser Teilprozess der Photolyse lässt sich nach Angaben der Wissenschaftler einfach mit einer wasserstofferzeugenden Kathodenzelle paaren, in der Wasserstoff gebildet wird. So soll eine photoelektrochemische Zelle entstehen, die aus Wasser und Sonnenlicht reinen Wasserstoff und Sauerstoff herstellt.

hda

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