Kraftstoff aus Wasser und Licht rückt näher

Zwölf auf einen Streich: Künftig könnten Katalysatoren für die künstliche Photosynthese leichter und schneller gefunden werden. Schon im ersten Anlauf gelang es den Forschern mit einer neuentwickelten Prozesskette, auf einen Schlag zwölf vielversprechende Verbindungen aufzuspüren. Damit könnte die effektive Produktion von Wasserstoff und anderen umweltfreundlichen Treibstoffen aus Wasser und Licht einen Schritt näher gerückt sein.

In der Photosynthese nutzten Pflanzen schon seit Jahrmillionen die Energie des Sonnenlichts, um Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Die Reaktionsprodukte nutzen sie, um energiereiche organische Verbindungen zu erzeugen. Nach dem gleichen Prinzip könnten auch wir Menschen die photokatalytische Wasserspaltung nutzen, um aus Wasser und Licht umweltfreundliche Treibstoffe wie Wasserstoff zu gewinnen.

Fahndung nach Katalysatoren

Doch es gibt einen Haken: Die Spaltung des Wassers durch Licht funktioniert nur, wenn ein geeigneter Katalysator anwesend ist. Bisher bestehen diese Elektroden jedoch meist aus wertvollen Edelmetallen und liefern nur eine mäßige Ausbeute. Neue, bessere Photoanoden sind aber nicht leicht zu identifizieren. So sind in den letzten vier Jahrzehnten lediglich 16 aussichtsreiche Kandidaten gefunden worden.

Ein Forscherteam um John Gregoire vom California Institute of Technology (Caltech) ist nun einen großen Schritt weitergekommen. Die Wissenschaftler haben eine Methode entwickelt, mit der geeignete Elektroden für die Wasserspaltung künftig schneller und effektiver aufgespürt werden können.

Blick in den "molekül-"Kocher": Mit diesem Reaktor lassen sich Katalysatorkandidaten nach Rezept produzieren. © Caltech

Ein Atomsprühgerät und ultraschnelle Tester

Möglich wurde dies durch eine Kombination von computergestützter Fahndung in Moleküldatenbanken und automatisierten Experimenten. Ein erstes Gerät erzeugt dafür potenziell geeignete Verbindungen quasi nach Rezept. „Das funktioniert wie eine Art Atomsprühgerät und erzeugt neue Moleküle als dünne Filme“, erklärt Gregoire. „Diese können dann durch Hitze noch weiter optimiert werden.“

Um die so synthetisierten Verbindungen auf ihre Eignung als Photoanode zu testen, setzen die Forscher die dünnen Platten dem Sonnenlicht aus und messen in einem Photospektrometer ihre Lichtabsorption. Vielversprechende Kandidaten werden dann in einem weiteren Hochdurchsatz-Gerät darauf getestet, wie gut sie die Energie des Lichts in elektrochemische Reaktionen umsetzen.

„Der photoelektrochemische Reaktor führt diese Tests hundert bis tausendfach schneller durch als traditionelle Methoden“, erklärt Gregoire.

Zwölf Kandidaten auf einen Streich

In einem ersten Praxistest nutzten die Wissenschaftler ihre Prozesskette, um 174 Verbindungen von Vanadium und Sauerstoff mit einem Metall zu überprüfen. Und tatsächlich: Im Rahmen dieser Studie entdeckten Gregoire und seine Kollegen bereits zwölf neue Elektroden-Kandidaten für die künstliche Photosynthese. Auf einen Schlag hat sich damit der Fundus möglicher Photoanoden fast verdoppelt – von 16 auf 28.

Nach Ansicht der Forscher demonstriert dies, dass ihr neu entwickelter Prozess die Suche nach geeigneten Photoanoden deutlich beschleunigen kann: „Es ist spannend, zwölf neue potenzielle Photoanoden für die Herstellung von Solarkraftstoffen zu entdecken, aber noch aufregender ist es, eine Pipeline für die Entwicklung neuer Materialien zu haben,“ so Gregoire. (Proceedings of the National Academy of Sciences, 2017; doi: 10.1073/pnas.1619940114)

(California Institute of Technology/ Lawrence Berkeley National Laboratory, 08.03.2017 – NPO)