Wasserstoff: Neuer Katalysator nutzt Sonne und Strom
Schematischer Vergleich der (photo)elektrokatalytischen Reaktion und der Stabilität von zeolithischen Einzel- und Mischliganden-Imidazolat-Gerüsten.
(Bild: TU Wien)
Neuer Katalysator spaltet Wasser effizienter in Wasserstoff und Sauerstoff. Schwammstruktur und zwei Energiequellen zeigen überraschende Effekte.
Wasserstoff gilt als der Energieträger der Zukunft, und die Forschung sucht nach Wegen, ihn sauber herzustellen. Bislang steht grüner Wasserstoff, der aus Wasser und Strom aus erneuerbaren Quellen gewonnen wird, im Mittelpunkt des Interesses.
Um Wasser schnell und effizient in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten, werden Katalysatoren benötigt. Und diese sollten möglichst langlebig sein. Forscher der TU Wien haben nun einen solchen entwickelt.
Der entscheidende Vorteil des neuen Katalysators: Er funktioniert sowohl mit Sonnenlicht als auch mit elektrischem Strom - und zwar in Kombination. Das soll die Herstellung von Wasserstoff nicht nur schneller, sondern auch energiesparender machen.
Feiner Schwamm mit riesiger Oberfläche
Der neue Katalysator besteht aus sogenannten zeolithischen Imidazolat-Gerüsten, kurz ZIFs. Diese Materialien haben eine besondere Struktur und sind in gewisser Weise mit einem Schwamm vergleichbar.
Es sind dreidimensionale Netzwerke aus winzigen Bausteinen, meist Zink oder Kobalt. Diese sind durch organische Moleküle, sogenannte Imidazole, miteinander verbunden. Wie ein Schwamm haben ZIFs unzählige mikroskopisch kleine Poren. Sie bieten eine riesige Oberfläche für die Spaltung von Wassermolekülen.
Sie sind extrem widerstandsfähig gegen Hitze und aggressive Chemikalien, haben aber auch einen entscheidenden Nachteil: "Diesen ZIFs fehlt es jedoch in Wasser unter elektrokatalytischen Bedingungen an Stabilität", erklärt Forschungsleiter Dominik Eder.
Das macht sie unter solchen Bedingungen kurzlebig. Außerdem ist die elektrische Leitfähigkeit der ZIFs zu gering, was ihre Wirksamkeit in elektrokatalytischen Anwendungen einschränkt.
Kluge Mischung der Moleküle erhöht Leitfähigkeit
Beide Probleme konnte das Forscherteam mit einem cleveren Trick lösen: Sie mischten nicht nur ein, sondern zwei verschiedene organische Moleküle, sogenannte Liganden, in die ZIF-Struktur ein. Diese Liganden sind wie chemische Brücken, die die Metallionen in der Struktur miteinander verbinden.
"Dabei war es entscheidend, die Liganden so miteinander zu vermischen, dass eine gleichmäßige Verteilung im gesamten Gerüst entsteht und gleichzeitig die ursprüngliche ZIF-Struktur erhalten bleibt", betont Zheao Huang, der Hauptautor der Studie.
Durch die präzise Mischung der Liganden konnte das Team die elektrische Leitfähigkeit des ZIF-Materials um das Zehnfache erhöhen. Gleichzeitig verhinderte eine dünne Schutzschicht auf der ZIF-Oberfläche den Zusammenbruch der Struktur während der Wasserspaltung.
Insgesamt konnte das Forscherteam die katalytische Leistung der ZIFs bei der Wasserspaltung um das Zehnfache steigern. "Obwohl wir mit dieser neuen Strategie einige Verbesserungen erwartet hatten, waren wir überrascht, wie sehr sie die photoelektrokatalytische Leistung von ZIFs verbessert", zeigt sich Eder begeistert.