Extrem effiziente Photokatalyse wandelt Leitungswasser nur mit Sonnenlicht in Wasserstoff
Wasserstoff als Energieträger ist ein wichtiger Baustein für nachhaltiges Wirtschaften. Nicht nur fahren bereits Lkw, Züge oder Pkw dank Brennstoffzellen mit H2. Auch bei der Stahlherstellung, in der chemischen Industrie und als Speicher für erneuerbare Energie ist er bestens eingesetzt.
Die Herstellung ist allerdings noch verbesserungswürdig. Während die Gewinnung aus Erdgas zukünftig ohnehin ausscheiden dürfte, aber derzeit unschlagbar billig ist, benötigt die Elektrolyse Strom. Und so lang dieser nicht im Überfluss aus erneuerbaren Quellen zur Verfügung steht, ist die Wasserstoffproduktion ineffizienter als die direkte Nutzung oder zum Beispiel der Einsatz von Batteriespeichern.
Umso eleganter wirkt der Weg, den eine Forschungsgruppe der Oregon State University eingeschlagen hat. Eine Rahmenkonstruktion aus Metall und organischen Elementen mit Poren im Nanometerbereich benötigt lediglich direkte Sonneneinstrahlung, um reinen Wasserstoff aus ganz normalem Wasser zu extrahieren.
Sprung bei der Effizienz
Das Prinzip nennt sich Photokatalyse. Ein chemischer Prozess wird allein durch die Absorption von Photonen des Sonnenlichts ausgelöst. Grundlegend ist die Technik bekannt. Bisherige Konstruktionen mit Zink, Indium oder Titan waren jedoch nur in der Lage, zwischen 0,3 und 0,7 Prozent der einfallenden Sonnenenergie für die Erzeugung von Wasserstoff zu nutzen.
Mit der eine optimierten Struktur und der Verwendung von Ruthenium, einem sehr seltenen Übergangsmetall, konnte die Effizienz auf 10,0 Prozent angehoben werden, also 15 bis 30 Mal besser. Zwar liegt der Wert trotzdem noch deutlich unter den Umwandlungsraten einer kommerziellen Solarzelle, aber man erhält ohne Umwege und somit auch ohne eventuelle weitere Energieverluste unmittelbar Wasserstoff.
In den Experimenten konnten 10.000 Mikromol Wasserstoff pro Stunde und Gramm Wasser gewonnen werden. Während Chemiker und Materialforscherinnen jetzt schon beeindruckt wären, hilft allen anderen vielleicht eine Umrechnung.
Innerhalb einer Stunde lassen sich fast 20 Prozent des im Wasser enthalten H2 herauslösen. Es genügen somit 50 Liter Wasser, um in einer Stunde ein Kilogramm Wasserstoff zu erhalten. In den Versuchen mit normalem Leistungswasser war die Quote etwas schlechter. Etwa 60 Liter wären dann notwendig.
Ausreichen würde dafür eine Fläche von nicht ganz 100 Quadratmeter. Der Ertrag kann sich also sehen lassen, schließlich genügt ein Kilogramm Wasserstoff, um knapp 100 Kilometer weit zu fahren oder ein Wohnhaus für ein paar Stunden zu heizen.
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