![\"](\"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/media\/2022\/06\/csm_Licht_statt_Strom_9cc0cd121e-1.jpg\")
Wasserstoff k\u00f6nnte ein wichtiger Teil unserer zuk\u00fcnftigen Energieversorgung sein: Man kann ihn lagern, transportieren und bei Bedarf verbrennen. Der Gro\u00dfteil des heute verf\u00fcgbaren Wasserstoffs entsteht allerdings als Nebenprodukt der Erdgasf\u00f6rderung \u2013 das kann aus Klimaschutzgr\u00fcnden nicht so bleiben. Die bisher beste Strategie, umweltfreundlichen \u201egr\u00fcnen Wasserstoff\u201c herzustellen, ist die Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mit Hilfe von elektrischem Strom, der aus erneuerbaren Energiequellen kommt, zum Beispiel von Photovoltaikanlagen.<\/p>\n\n\n\n
Viel einfacher w\u00e4re es allerdings, wenn man das Sonnenlicht direkt zum Aufspalten von Wasser verwenden k\u00f6nnte. Genau das wird m\u00f6glich, wenn man passende Katalysatoren verwendet. Man spricht dann von \u201ephotokatalytischer Wasserspaltung\u201c. Das Konzept wird bisher noch nicht industriell eingesetzt. An der TU Wien gelangen nun wichtige Schritte in diese Richtung: Auf atomarer Skala konnte eine neue Kombination von Katalysatoren entwickelt werden, die auf Basis relativ kosteng\u00fcnstiger Materialien diese Aufgabe l\u00f6sen kann.<\/p>\n\n\n\n
Zusammenspiel unterschiedlicher Atome<\/h3>\n\n\n\n\u201eEigentlich hat man es hier mit zwei Aufgaben gleichzeitig zu tun\u201c, erkl\u00e4rt Alexey Cherevan<\/strong>, der am Institut f\u00fcr Materialchemie der TU Wien in der Forschungsgruppe von Prof. Dominik Eder forscht. \u201eWir m\u00fcssen \u00fcber Sauerstoff und \u00fcber Wasserstoff nachdenken. Die Sauerstoffatome des Wassers m\u00fcssen in O2<\/sub>-Molek\u00fcle umgewandelt werden, und die \u00fcbrigbleibenden Wasserstoff-Ionen \u2013 also einfach Protonen \u2013 m\u00fcssen zu H2 <\/sub>Molek\u00fclen werden.\u201c<\/p><\/blockquote>\n\n\n\nF\u00fcr beides wurden nun L\u00f6sungen gefunden: Winzige anorganische Cluster, die nur aus einer kleinen Zahl von Atomen bestehen, werden auf einer lichtabsorbierenden Unterstruktur verankert, zum Beispiel auf Titanoxid. Die Kombination aus Clustern und der sorgf\u00e4ltig ausgew\u00e4hlten Halbleiterstruktur darunter f\u00fchrt zum gew\u00fcnschten Verhalten.<\/p>\n\n\n\n
Die Cluster, die f\u00fcr die Oxidation von Sauerstoff verantwortlich sind, bestehen aus Kobalt, Wolfram und Sauerstoff, w\u00e4hrend Cluster aus Schwefel und Molybden besonders gut f\u00fcr die Herstellung von Wasserstoffmolek\u00fclen geeignet sind. Das Forschungsteam der TU Wien war das erste, das diese Cluster nun auf einer Oberfl\u00e4che aus Titanoxid platziert hat, wodurch sie gemeinsam als Katalysatoren f\u00fcr Wasserspaltung dienen k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n
\u201eTitanoxid reagiert auf Licht, das war bereits bekannt\u201c, sagt Alexey Cherevan<\/strong>. \u201eDie Energie des absorbierten Lichts f\u00fchrt dazu, dass im Titanoxid frei bewegliche Elektronen und frei bewegliche positive Ladungen entstehen. Diese Ladungen erm\u00f6glichen dann den Atomclustern, die auf dieser Oberfl\u00e4che sitzen, die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu erleichtern.\u201c
<\/p><\/blockquote>\n\n\n\nExakte Kontrolle, Atom f\u00fcr Atom<\/h3>\n\n\n\n\u201eAndere Forschungsgruppen, die an \u00e4hnlichen Prozessen arbeiten, verwenden Nanopartikel, die ganz unterschiedliche Formen und Oberfl\u00e4cheneigenschaften annehmen k\u00f6nnen\u201c, erkl\u00e4rt Alexey Cherevan<\/strong>. \u201eDie Gr\u00f6\u00dfen sind schwer zu kontrollieren, die Atome sind nicht immer auf genau dieselbe Weise angeordnet. Daher kann man in diesem Fall auch nicht exakt erkl\u00e4ren, wie der Katalyseprozess im Detail abl\u00e4uft.\u201c <\/p><\/blockquote>\n\n\n\nAn der TU Wien hingegen wird die exakte Struktur der Cluster mit atomarer Pr\u00e4zision festgelegt, wodurch man ein vollst\u00e4ndiges Verst\u00e4ndnis des Katalysekreislaufs gewinnen kann.<\/p>\n\n\n\n
\u201eNur so bekommt man Feedback dar\u00fcber, wovon die Effizienz des Prozesses wirklich abh\u00e4ngt\u201c, sagt Alexey Cherevan<\/strong>. \u201eWir wollen uns nicht einfach auf Versuch und Irrtum verlassen und unterschiedliche Nanopartikel ausprobieren, bis wir die beste Methode gefunden haben \u2013 wir wollen auf atomarer Ebene kl\u00e4ren, was der optimale Katalysator ist.\u201c<\/p><\/blockquote>\n\n\n\nNachdem nun bewiesen ist, dass die ausgew\u00e4hlten Materialien tats\u00e4chlich zum Aufspalten von Wasser geeignet sind, soll nun ihre genaue Struktur noch weiter verbessert werden, um die Effizienz zu erh\u00f6hen.<\/p>\n\n\n\n
Einfach und vielversprechend<\/h3>\n\n\n\n
\u201eDer entscheidende Vorteil unserer Methode gegen\u00fcber der Aufspaltung von Wasser durch Elektrolyse ist die Einfachheit\u201c, betont Alexey Cherevan. Die bisher gebr\u00e4uchliche elektrische Wasserstoffherstellung braucht zun\u00e4chst eine nachhaltige Energiequelle \u2013 etwa Photovoltaikzellen, m\u00f6glicherweise einen elektrischen Energiespeicher und eine Elektrolysezelle. Insgesamt ergibt sich somit ein relativ komplexes System, bestehend aus einer Vielzahl von Rohstoffen. F\u00fcr die photokatalytische Wasserspaltung hingegen braucht man blo\u00df eine passend beschichtete Oberfl\u00e4che, die von Wasser bedeckt und von der Sonne bestrahlt wird.<\/p>\n\n\n\n
Langfristig k\u00f6nnte man dieses Wissen auch nutzen, um kompliziertere Molek\u00fcle herzustellen, in einer Form von k\u00fcnstlicher Photosynthese. So k\u00f6nnte man die Energie der Sonneneinstrahlung m\u00f6glicherweise sogar nutzen, um mit Kohlendioxid aus der Atmosph\u00e4re und Wasser Kohlenwasserstoffe herzustellen, die dann weiterverwendet werden k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n
Originalpublikationen<\/h3>\n\n\n\n
S. Batool et al., Surface-Anchoring and Active Sites of [Mo3S13]2- Clusters as Co-Catalysts for Photocatalytic Hydrogen Evolution.<\/a> ACS Catalysis, 2022<\/em>, 12, 6641-6650<\/p>\n\n\n\nS.P. Nandan et al., Immobilization of a [CoIIICoII(H2O)W11O39]7- Polyoxoanion for Photocatalytic Oxygen Evolution Reaction<\/a>, ACS Materials Au, 2022<\/em>, just accepted<\/p>\n\n\n\nTEDx Talk \u201cTowards Artificial Photosynthesis\u201d
In seinem Ted-Talk erkl\u00e4rt Alexey Cherevan, wie k\u00fcnstliche Photosynthese funktionieren k\u00f6nnte:<\/a>
<\/p>\n\n\n\nKontakt<\/h3>\n\n\n\n
\u201eEigentlich hat man es hier mit zwei Aufgaben gleichzeitig zu tun\u201c, erkl\u00e4rt Alexey Cherevan<\/strong>, der am Institut f\u00fcr Materialchemie der TU Wien in der Forschungsgruppe von Prof. Dominik Eder forscht. \u201eWir m\u00fcssen \u00fcber Sauerstoff und \u00fcber Wasserstoff nachdenken. Die Sauerstoffatome des Wassers m\u00fcssen in O2<\/sub>-Molek\u00fcle umgewandelt werden, und die \u00fcbrigbleibenden Wasserstoff-Ionen \u2013 also einfach Protonen \u2013 m\u00fcssen zu H2 <\/sub>Molek\u00fclen werden.\u201c<\/p><\/blockquote>\n\n\n\n F\u00fcr beides wurden nun L\u00f6sungen gefunden: Winzige anorganische Cluster, die nur aus einer kleinen Zahl von Atomen bestehen, werden auf einer lichtabsorbierenden Unterstruktur verankert, zum Beispiel auf Titanoxid. Die Kombination aus Clustern und der sorgf\u00e4ltig ausgew\u00e4hlten Halbleiterstruktur darunter f\u00fchrt zum gew\u00fcnschten Verhalten.<\/p>\n\n\n\n Die Cluster, die f\u00fcr die Oxidation von Sauerstoff verantwortlich sind, bestehen aus Kobalt, Wolfram und Sauerstoff, w\u00e4hrend Cluster aus Schwefel und Molybden besonders gut f\u00fcr die Herstellung von Wasserstoffmolek\u00fclen geeignet sind. Das Forschungsteam der TU Wien war das erste, das diese Cluster nun auf einer Oberfl\u00e4che aus Titanoxid platziert hat, wodurch sie gemeinsam als Katalysatoren f\u00fcr Wasserspaltung dienen k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n \u201eTitanoxid reagiert auf Licht, das war bereits bekannt\u201c, sagt Alexey Cherevan<\/strong>. \u201eDie Energie des absorbierten Lichts f\u00fchrt dazu, dass im Titanoxid frei bewegliche Elektronen und frei bewegliche positive Ladungen entstehen. Diese Ladungen erm\u00f6glichen dann den Atomclustern, die auf dieser Oberfl\u00e4che sitzen, die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu erleichtern.\u201c \u201eAndere Forschungsgruppen, die an \u00e4hnlichen Prozessen arbeiten, verwenden Nanopartikel, die ganz unterschiedliche Formen und Oberfl\u00e4cheneigenschaften annehmen k\u00f6nnen\u201c, erkl\u00e4rt Alexey Cherevan<\/strong>. \u201eDie Gr\u00f6\u00dfen sind schwer zu kontrollieren, die Atome sind nicht immer auf genau dieselbe Weise angeordnet. Daher kann man in diesem Fall auch nicht exakt erkl\u00e4ren, wie der Katalyseprozess im Detail abl\u00e4uft.\u201c <\/p><\/blockquote>\n\n\n\n An der TU Wien hingegen wird die exakte Struktur der Cluster mit atomarer Pr\u00e4zision festgelegt, wodurch man ein vollst\u00e4ndiges Verst\u00e4ndnis des Katalysekreislaufs gewinnen kann.<\/p>\n\n\n\n \u201eNur so bekommt man Feedback dar\u00fcber, wovon die Effizienz des Prozesses wirklich abh\u00e4ngt\u201c, sagt Alexey Cherevan<\/strong>. \u201eWir wollen uns nicht einfach auf Versuch und Irrtum verlassen und unterschiedliche Nanopartikel ausprobieren, bis wir die beste Methode gefunden haben \u2013 wir wollen auf atomarer Ebene kl\u00e4ren, was der optimale Katalysator ist.\u201c<\/p><\/blockquote>\n\n\n\n Nachdem nun bewiesen ist, dass die ausgew\u00e4hlten Materialien tats\u00e4chlich zum Aufspalten von Wasser geeignet sind, soll nun ihre genaue Struktur noch weiter verbessert werden, um die Effizienz zu erh\u00f6hen.<\/p>\n\n\n\n \u201eDer entscheidende Vorteil unserer Methode gegen\u00fcber der Aufspaltung von Wasser durch Elektrolyse ist die Einfachheit\u201c, betont Alexey Cherevan. Die bisher gebr\u00e4uchliche elektrische Wasserstoffherstellung braucht zun\u00e4chst eine nachhaltige Energiequelle \u2013 etwa Photovoltaikzellen, m\u00f6glicherweise einen elektrischen Energiespeicher und eine Elektrolysezelle. Insgesamt ergibt sich somit ein relativ komplexes System, bestehend aus einer Vielzahl von Rohstoffen. F\u00fcr die photokatalytische Wasserspaltung hingegen braucht man blo\u00df eine passend beschichtete Oberfl\u00e4che, die von Wasser bedeckt und von der Sonne bestrahlt wird.<\/p>\n\n\n\n Langfristig k\u00f6nnte man dieses Wissen auch nutzen, um kompliziertere Molek\u00fcle herzustellen, in einer Form von k\u00fcnstlicher Photosynthese. So k\u00f6nnte man die Energie der Sonneneinstrahlung m\u00f6glicherweise sogar nutzen, um mit Kohlendioxid aus der Atmosph\u00e4re und Wasser Kohlenwasserstoffe herzustellen, die dann weiterverwendet werden k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n S. Batool et al., Surface-Anchoring and Active Sites of [Mo3S13]2- Clusters as Co-Catalysts for Photocatalytic Hydrogen Evolution.<\/a> ACS Catalysis, 2022<\/em>, 12, 6641-6650<\/p>\n\n\n\n S.P. Nandan et al., Immobilization of a [CoIIICoII(H2O)W11O39]7- Polyoxoanion for Photocatalytic Oxygen Evolution Reaction<\/a>, ACS Materials Au, 2022<\/em>, just accepted<\/p>\n\n\n\n TEDx Talk \u201cTowards Artificial Photosynthesis\u201d
<\/p><\/blockquote>\n\n\n\nExakte Kontrolle, Atom f\u00fcr Atom<\/h3>\n\n\n\n
Einfach und vielversprechend<\/h3>\n\n\n\n
Originalpublikationen<\/h3>\n\n\n\n
In seinem Ted-Talk erkl\u00e4rt Alexey Cherevan, wie k\u00fcnstliche Photosynthese funktionieren k\u00f6nnte:<\/a>
<\/p>\n\n\n\nKontakt<\/h3>\n\n\n\n