Effektivere Spaltung von Wassermolekülen mit Strom oder Sonnenlicht mit einem Katalysator aus relativ günstigen Substanzen

Spaltung von Wasser unter Lichteinstrahlung

Berkeley (USA)/Paris (Frankreich) - Wer heute den Energieträger Wasserstoff nicht aus Erdgas, sondern direkt aus Wasser gewinnen will, muss viel Strom in einen Elektrolyse-Prozess stecken. Katalysatoren helfen, diese Wasserspaltung effizienter ablaufen zu lassen. Doch bisher sind sie teuer (Ruthenium-Komplexe) oder nicht sehr langlebig (Kobaltoxid). Jetzt meinen Chemiker der University of California in Berkeley, dieses Problem mit einem neuen Metall-Oxid-Katalysator lösen zu können.

"Unser Konzept hat weitreichende Relevanz für die Entwicklung von 'grünen' und nachhaltigen, chemischen Prozesse", schreiben Jeffrey R. Long und seine Kollegen in der Zeitschrift "Nature". Ihre Hoffnung basiert auf einem von ihnen synthetisierten Molybdän-Oxo-Komplex. Bei geringen Spannungen von 0,2 Volt konnte mit diesem Katalysator sowohl aus Süß- als auch Salzwasser Wasserstoff gewonnen werden. Weder Säuren noch organische Lösungsmittel mussten – wie bei anderen Katalysereaktionen üblich – zugefügt werden. Auch die stündliche Ausbeute mit 8500 Wasserstoff-Molekülen pro Katalysator-Molekül ist viel versprechend.

Reif für den technischen Einsatz sind diese neuen Katalysatoren bisher noch nicht. Denn ihre Effizienz nimmt nach drei Tagen ab. Danach müsste der Molybdän-Oxo-Komplex für einen erneuten Einsatz regeneriert werden. In weiteren Versuchen wollen die Forscher ihren Katalysator auch für die Wasserstoffproduktion allein mit Sonnenlicht testen. Dieser, der natürlichen Photosynthese nachempfundene Weg zur Gewinnung des Energieträgers Wasserstoff könnte komplett klimaneutral ablaufen. Viele Labore weltweit konzentrieren ihre Arbeit auf die Weiterentwicklung dieser künstlichen Photosynthese.

Erst vor wenigen Wochen vermeldeten französische und amerikanische Wissenschaftler einen weiteren Fortschritt. "Wir fokussierten unsere Arbeit auf einen Katalysator ohne organische Bestandteile, da sich organische Komponenten mit Sauerstoff verknüpfen und sich so selbst zerstören", sagt Craig Hill, Chemiker an der Emory University in Atlanta. Zusammen mit Kollegen von der Universität Paris 06 stabilisierten sein Team daher das Katalysatormaterial Kobaltoxid (Co4O4) mit kohlenstofffreien Liganden, so genannten Polyoxometallaten.

Der komplette, homogen aufgebaute Kobalt-Komplex ließ sich in einer Reaktion von Kobaltoxid, Phosphatsalzen und Wolfram durch einfaches Erhitzen in Wasser synthetisieren. Unter Einstrahlung von ultraviolettem Licht testeten die Chemiker das katalytische Verhalten. Abgepuffert auf einen pH-Wert 8 konnte der Kobaltkomplex mit einer Reaktions- und Regenerationsrate von über fünf Hertz (catalytic turnover) Wasser am effizientesten zu Sauerstoff oxidieren, ohne selbst sukzessive zerstört zu werden. Mit diesem Katalysator aus relativ günstigen Substanzen steht ein weiteres viel versprechendes Material für die direkte Spaltung von Wasser zu Sauerstoff und Wasserstoff zur Verfügung.