Neuer Photokatalysator: Ladungstrennung am Nanopartikel Alles in einem bei der Photokatalyse

Eine Schwierigkeit der Photokatalyse ist es, die entstehenden positiven und negativen Ladungen am Katalysator lange genug voneinander zu separieren. Nun haben Forscher es erstmals geschafft, alle Reaktionsschritte an einem Halbleiter-Partikel ablaufen zu lassen. Das neue Nano-Katalysatorsystem stellt somit einen vielversprechenden Ansatz für die Speicherung erneuerbarer Energien dar.

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München, Würzburg – In Anbetracht des globalen Klimawandels ist es erstrebenswert, erneuerbare klimaneutrale Energiequellen zu nutzen und zu speichern. Ein vielversprechender Ansatz ist die Photokatalyse: Dabei wird Wasser mit Hilfe von Sonnenlicht in Sauerstoff und den Energieträger Wasserstoff aufgespalten. Die effiziente Umsetzung dieses Verfahrens ist allerdings technisch sehr anspruchsvoll, da verschiedene Prozesse beteiligt sind, die sich gegenseitig beeinträchtigen.

Physikern der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) um Dr. Jacek Stolarczyk und Professor Jochen Feldmann ist es in Kooperation mit Chemikern der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) um Professor Frank Würthner nun erstmals gelungen, Wasser in einem einzigen System mithilfe von sichtbarem Licht vollständig zu spalten.

Künstliche Photosynthese an Nanopartikeln

Bei der photokatalytischen Wasserspaltung werden mittels synthetischer Komponenten die komplexen Prozesse nachgebildet, die bei der natürlichen Photosynthese ablaufen. Als Photokatalysator dienen dabei Halbleiter-Nanopartikel, die Lichtquanten (Photonen) absorbieren und mit dieser Energie die Bindungen in Wassermolekülen aufbrechen können.

Im Einzelnen läuft die Reaktion wie folgt ab: Ein Photon regt im Halbleiter eine negative Ladung (ein Elektron) und eine positive Ladung (ein so genanntes „Loch“) an. Beide müssen sich räumlich trennen, damit das Wasser vom Elektron zu Wasserstoff reduziert beziehungsweise das Loch zu Sauerstoff oxidiert werden kann. „Wenn man nur Wasserstoff aus Wasser herstellen will, werden die Löcher meistens schnell mittels chemischer Reagenzien entfernt“, sagt Stolarczyk. „Für eine vollständige Wasserspaltung müssen die Löcher aber bleiben und den langsamen Wasseroxidationsprozess vorantreiben.“

Die Schwierigkeit besteht dann darin, beide Halbreaktionen so auf einem Partikel zu kombinieren, dass sie gleichzeitig ablaufen – und zwar ohne, dass die dabei entstehenden entgegengesetzten Ladungen rekombinieren. Zudem werden die meisten Halbleiter durch die positiven Ladungen angegriffen und zerstört.

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