Japanische Forscher haben nun durch räumliche Trennung zweier Co-Katalysatoren einen effizienteren Photokatalysator für die Wasserspaltung synthetisiert.
Wiley-VCH
Eine winzige Hohlkugel, die innen und außen mit verschiedenen Cokatalysatoren beschichtet ist, kann der brennstoffzellenbetriebenen Elektromobilität zum endgültigen Durchbruch verhelfen. Die vor kurzem von japanischen Forschern vorgestellte Methode eignet sich nämlich für die effektive photokatalytische Wasserspaltung, wie sie für das Erzeugen von Wasserstoff für Brennstoffzellen benötigt wird.
Die Wissenschaftler nutzen dazu einen besonderen Trick. So soll der Katalysator, meist ein Halbleiter, Photonen einfangen. Elektronen werden angeregt und aus dem Valenzband ins Leitungsband gehoben. Im Valenzband hinterlassen die Elektronen dann Leerstellen, also positiv geladene "Löcher". Schaffen es Elektronen und Löcher, zur Oberfläche des Katalysators zu wandern, bevor die entgegengesetzten Ladungen wieder rekombinieren, können sie auf Wassermoleküle übertragen und genutzt werden, um Wasser zu Wasserstoff zu reduzieren oder zu Sauerstoff zu oxidieren.
Was so einfach klingt, ist in der Praxis allerdings äußerst schwierig. Immer wieder wurden neue Katalysatorsysteme untersucht und entwickelt. Doch deren Effektivität war noch nicht zufriedenstellend. Dabei sollten rein theoretisch Katalysatoren auf der Basis von Tantalnitrid (Ta3N5) besonders geeignete Kandidaten für eine Photokatalyse mit sichtbarem Licht sein. Zwei Hauptprobleme haben den Erfolg verhindert: Zum einen reagieren die entstehenden Produkte, Sauerstoff und Wasserstoff, auf der Oberfläche des Katalysators gleich wieder zurück zu Wasser. Zum anderen klappt es nicht recht mit der Ladungstrennung, der bei der Reaktion entstehenden Elektronen und Löcher, die zu rasch wieder rekombinieren.
Der Trick mit den Siliciumdioxid-Mikrokügelchen
Das Team um Kazunari Domen von der Universität Tokio hatte nun eine clevere Idee: Was, wenn die beiden Cokatalysatoren nicht gleichmäßig über den Katalysator verteilt wären, sondern räumlich getrennt? Um dies zu erreichen, entwickelten die Forscher eine einfache Methode zur Herstellung von Kern-Schale-Mikropartikeln. Zunächst beschichteten sie Siliciumdioxid-Mikrokügelchen mit Platinnanopartikeln und anschließend mit Tantaloxid, das sie im nächsten Schritt mit Ammoniak zu Tantalnitrid umsetzten und dann mit Iridium- oder Kobaltoxid umhüllten. Der Siliciumdioxid-Kern kann selektiv herausgelöst werden. Übrig bleiben hauchdünne poröse Hohlkugeln aus Tantalnitrid, die innen mit Platinnanopartikeln, außen mit Iridium- oder Kobaltoxid beschichtet sind. Dank dieses speziellen Aufbaus finden die beiden Teilreaktionen nicht mehr in unmittelbarer Nähe statt, wodurch sich die Ladungstrennung und damit die photokatalytische Aktivität deutlich verbessern.
Die japanischen Forscher haben ihre neue Methode kürzlich in der Zeitschrift "Angewandte Chemie" (Autor: Kazunari Domen, University of Tokyo (Japan); Angewandte Chemie, Permalink to the article: dx.doi.org/10.1002/ange.201303693) vorgestellt.
Tipp der Redaktion Automobil- und Motorentechnik:
Lesen Sie zu diesem Thema auch "Die Langstrecken-Elektromobilität".