Photosynthese: US-Forscher entwickeln günstiges künstliches Blatt

Aus Wasser und Sonnenlicht werden Wasserstoff und Sauerstoff: Wissenschaftler des California Institute of Technology (Caltech) haben ein System entwickelt, das die Photosynthese aus der Pflanzenwelt nachahmt. Damit soll auf umweltfreundliche Weise der Energieträger Wasserstoff erzeugt werden.

Der Aufbau des künstlichen Blatts ist relativ einfach. Es besteht aus drei Komponenten: einer Photoanode, einer Photokathode sowie einer Membran. Die Photoanode oxidiert Wassermoleküle mit Hilfe von Sonnenlicht. So werden Sauerstoff, Protonen und Elektronen freigesetzt. Die Protonen und Elektronen wandern durch die Membran und werden an der Kathode zu Wasserstoffmolekülen zusammengesetzt.

Auf das Material kommt es an

Wichtig seien die Materialien, die verwendet werden, sagt Projektleiter Nate Lewis. So absorbiert zwar Galliumarsenid Licht sehr gut. Aber in Kontakt mit Wasser korrodiert das Material. Die Forscher um Lewis haben die Anode mit einer knapp 63 Nanometer dicken Lage aus Titandioxid beschichtet. Das Titandioxid, das auch in weißer Wandfarbe oder Sonnencremes eingesetzt wird, schützt und stabilisiert die Anode.

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So funktioniert das System. (Grafik: Darius Siwek/Caltech)

Für die Spaltung des Wassers wird ein Katalysator benötigt. Meistens wird das Edelmetall Platin eingesetzt, das aber selten und deshalb teuer ist. Die Caltech-Forscher setzen stattdessen Nickel ein, das in einer 2 Nanometer dicken Schicht auf das Titandioxid aufgebracht wird. Das eignet sich sehr gut als Katalysator und ist deutlich günstiger als etwa Platin.

Prototyp kann 40 Stunden lang Wasserstoff generieren

Die Forscher haben einen Prototyp mit einer 1 Quadratzentimeter großen Photoanode gebaut. Er hat eine Effizienz von 10 Prozent, wandelt also 10 Prozent der Energie des auftreffenden Sonnenlichts in chemische Energie in Form von Wasserstoff. Die Ausbeute beträgt 0,8 Mikroliter Wasserstoff in der Sekunde. Das künstliche Blatt kann über 40 Stunden am Stück eingesetzt werden.

Das Caltech-System ist nicht das erste künstliche Blatt, das Photosynthese imitiert. Allerdings sei ihr System effizienter: Ihr künstliches Blatt übertreffe alle bisherigen in puncto Sicherheit, Leistung und Stabilität um den Faktor 5 bis 10 oder sogar mehr, sagt Lewis. Die Forscher beschreiben es in der Fachzeitschrift Energy and Environmental Science.

Mit dem Wasserstoff sollen künftig Brennstoffzellen betrieben werden. Sie sollen beispielsweise Strom für Autos oder Mobiltelefone liefern.