SHENYANG, 9. April (Xinhua) -- Vor etwa 150 Jahren sagte der französische Science-Fiction-Autor Jules Verne voraus, dass Wasser der Brennstoff der Zukunft werden würde. Heute arbeiten Wissenschaftler daran, diese Fantasie Wirklichkeit werden zu lassen.
Chinesischen Forschern gelang kürzlich ein Durchbruch bei der „photokatalytischen Wasserspaltung zur Wasserstoffproduktion“. Durch die „strukturelle Umformung“ und „Elementersetzung“ eines Halbleitermaterials konnten sie die Effizienz der Umwandlung von Wasser in saubere Wasserstoffenergie mithilfe von Sonnenlicht erheblich steigern.
Die derzeitige solarbetriebene Wasserstoffproduktion beruht laut Liu Gang, Direktor des Instituts für Metallforschung der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) und Leiter des Forschungsteams hauptsächlich auf zwei Methoden: Bei der einen werden Solarmodule zur Erzeugung von Strom für die Wasserelektrolyse verwendet, was eine komplexe und kostspielige Ausrüstung erfordert. Bei der anderen werden Halbleitermaterialien als Katalysatoren eingesetzt, um Wassermoleküle unter Sonneneinstrahlung direkt zu spalten.
Der Schlüssel zur direkten Spaltung von Wasser mit Sonnenlicht liege in einem Material namens Titandioxid, erklärte Liu. Wenn es dem Sonnenlicht ausgesetzt werde, funktioniere Titandioxid wie ein mikroskopisches Kraftwerk und erzeuge energiereiche Elektronen-Loch-Paare, die Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegen.
Herkömmliches Titandioxid hat jedoch einen entscheidenden Nachteil: Seine innere Struktur ähnelt einem Labyrinth, sodass die aktivierten Elektronen und Löcher zufällig kollidieren und sich innerhalb eines Millionstels einer Sekunde neu verbinden und aufheben. Darüber hinaus führt der Herstellungsprozess des Materials bei hohen Temperaturen häufig zum Verlust von Sauerstoffatomen, wodurch positiv geladene „Fallenbereiche“ entstehen, die Elektronen einfangen.
Lius Team ging diese Probleme an, indem es Scandium, ein Seltenerdelement, das im Periodensystem neben Titan steht, einführte, um das Material neu zu strukturieren.
Scandium-Ionen, die in ihrer Größe Titan-Ionen ähneln, passen perfekt in das Titandioxidgitter, ohne strukturelle Verzerrungen zu verursachen. Ihre stabile Wertigkeit neutralisiert das durch Sauerstoffleerstellen verursachte Ladungsungleichgewicht und beseitigt „Fallenbereiche“. Zudem rekonstruieren Scandium-Atome die Kristalloberfläche und erzeugen spezifische Facetten, die wie „elektronische Autobahnen und Überführungen“ wirken und es Elektronen und Löchern ermöglichen, das Labyrinth effizient zu verlassen.
Durch präzise Steuerung sei es dem Forschungsteam gelungen, ein spezielles Titandioxid-Material mit deutlich verbesserter Leistung zu entwickeln - die Nutzung von ultraviolettem Licht habe bei über 30 Prozent gelegen und die Produktionseffizienz von Wasserstoff unter simuliertem Sonnenlicht sei 15-mal höher gewesen als bei zuvor untersuchten Titandioxid-Materialien, was einen neuen Rekord darstelle, so Liu.
„Wenn man damit eine photokatalytische Platte mit einer Fläche von einem Quadratmeter herstellt, können bei einem Tag Sonnenlicht etwa zehn Liter Wasserstoff produziert werden“, so Liu.
Die Ergebnisse wurden in der neuesten Ausgabe des Journal of the American Chemical Society veröffentlicht.
„Unser Ziel ist es, die Technologie weiter zu verbessern, um eine effiziente Nutzung des sichtbaren Lichts im Sonnenlicht zu ermöglichen“, verriet Liu.
China sei derzeit für mehr als 50 Prozent der weltweiten Produktion von Titandioxid verantwortlich, die von einer robusten Industriekette getragen werde, so Liu. Darüber hinaus sei China einer der weltweit führenden Länder in Bezug auf Reserven von Scandium.
„Mit kontinuierlichen Fortschritten bei der Effizienz der photokatalytischen Wasserspaltung ist diese Technologie vielversprechend für industrielle Anwendungen und könnte die Transformation von Energiesystemen vorantreiben“, fügte Liu hinzu.
(gemäß der Nachrichtenagentur Xinhua)
