Forscher haben ein neuartiges lichtaktives Material entwickelt, das Wasserstoff aus Wasser erzeugen kann, ohne dass ein zusätzlicher teurer Metallkatalysator erforderlich ist. Das Material beruht auf einer ungewöhnlichen schwefelbasierten Chemie und könnte den Weg zu günstigeren und praktikableren Verfahren ebnen, Sonnenlicht in sauberen Brennstoff umzuwandeln.
Bei der photokatalytischen Wasserspaltung absorbiert ein Halbleitermaterial Licht und erzeugt Elektron-Loch-Paare. Die angeregten Elektronen reduzieren Protonen zu Wasserstoff ($H_2$), während die Löcher Wasser ($H_2O$) zu Sauerstoff ($O_2$) oxidieren. Das zentrale Problem bisheriger Systeme: An der Oberfläche rekombinieren die Ladungsträger meist sehr schnell. Deshalb benötigen nahezu alle effizienten Photokatalysatoren Kokatalysatoren aus Edelmetallen wie Platin für die $H_2$-Bildung oder Iridium- beziehungsweise Rutheniumoxide für die $O_2$-Bildung. Diese Metalle sind selten und teuer, was eine wirtschaftliche Großanwendung bislang verhindert.
Das neue Material umgeht diesen Engpass: Seine schwefelhaltigen Struktureinheiten übernehmen selbst die Funktion des aktiven katalytischen Zentrums. Schwefelatome können Protonen effektiv binden und so die Wasserstoffbildung an der Oberfläche begünstigen, sodass auf metallische Beschichtungen verzichtet werden kann. Damit könnte die Entwicklung die Kosten für solar erzeugten Wasserstoff deutlich senken.
Wasserstoff gilt als vielversprechender klimafreundlicher Energieträger, da er bei der Verbrennung nur Wasser freisetzt und sich sowohl als Energiespeicher als auch als Grundstoff für die Industrie einsetzen lässt.
Hintergrund: Die photokatalytische Wasserspaltung geht auf das berühmte Fujishima-Honda-Experiment von 1972 mit Titandioxid($TiO_2$)-Elektroden zurück; seither wird weltweit intensiv an kostengünstigen Halbleitermaterialien für sogenannte Solar Fuels geforscht.
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