Solarer Wasserstoff aus Dunkelreaktion

  • 23. December 2016

Kohlenstoffnitrid speichert für die künstliche Photosynthese Elektronen und setzt sie zeitverzögert wieder frei.

Die Speicherung von Sonnen­energie und ihre bedarfs­gerechte Frei­setzung sind nach wie vor große Heraus­forderungen für die künst­liche Photo­synthese. Preis­wertes graphi­tisches Kohlen­stoffnitrid gilt derzeit als eines der viel­versprechendsten neuen photo­katalytischen Materialien. Wissen­schaftler haben jetzt eine modi­fizierte Form entwickelt, welche durch Licht erzeugte Elektronen speichern kann, bis sie in einer Dunkel­reaktion für die Produktion von Wasserstoff verbraucht werden.

Abb.: Über die künstliche Photosynthese kann nun auch solarer Wasserstoff im Dunkeln erzeugt werden. (Bild: Wiley-VCH)

Abb.: Über die künstliche Photosynthese kann nun auch solarer Wasserstoff im Dunkeln erzeugt werden. (Bild: Wiley-VCH)

Die Natur teilt die Photo­synthese auf in eine Licht-Reaktion, die Elektronen und Löcher durch Sonnen­energie erzeugt, und eine Dunkel­reaktion, welche die Energie­stoffe der Zelle generiert. Diese Stoffe trans­portieren und speichern die Energie. Indem dieser zweite, zeit­verzögerte Prozess unabhängig vom Sonnen­licht abläuft, kann der Gesamt­prozess den Tag-und-Nacht-Rhythmus ausgleichen. Für menschen­gemachte Systeme stellt die Nacht dagegen eine lästige Unter­brechung der licht­abhängigen Energie­produktion dar. Ein System, das den Bioprozess direkt nachahmt, müsste die licht­erzeugten Elektronen speichern können, um sie später unabhängig von der Primär­licht­quelle freisetzen zu können.

Solar­zellen generieren die Elektronen entweder für den lokalen Verbrauch oder für die Ein­speisung in das Stromnetz. Als Speicher­medien für die elek­trische Energie werden dagegen Batterien oder Kraft­stoffe wie Wasser­stoff oder Methan verwendet, die wiederum durch elektro­chemische Reaktionen erzeugt wurden. Alternativ könnte man auch die natür­liche Photo­synthese effek­tiver nachahmen und nach einem Material suchen, das die photo­kataly­tischen Elek­tronen gleich nach der Erzeugung speichern und nach Bedarf wieder abgeben kann. Bettina Lotsch vom Max-Planck-Institut für Festkörper­forschung in Stuttgart und Kollegen aus der Schweiz und Groß­britannien entwickelten dafür ein neu­artiges Kohlenstoff­nitrid-Polymer, dessen Vorstufe Melon für seine photo­kataly­tischen und halb­leitenden Eigen­schaften bereits bekannt ist.

Das modifi­zierte Kohlenstoff­nitrid ist ein gelb­licher Fest­körper, der durch Beleuchtung seine Farbe ändert. „Die Farbe dieses Polymers schlägt unter Ein­strahlung von Licht und in der Gegen­wart von bestimmten Elektronen­donoren in Sauer­stoff-freier Umgebung von gelb nach blau um“, berichten die Wissen­schaftler. Dieses Radikal enthält die einge­fangenen Elek­tronen. Wird das Licht ausge­schaltet und für die Wasserstoff­entwicklung ein entsprechender Cokata­lysator zugegeben, so wird das Polymer wieder gelb. Die gespeicher­ten Elek­tronen werden dabei für die kataly­tische Wasserstoff­produktion verwendet. Diese bemerkens­werten Ergeb­nisse zeigen, dass es durch das speziell entwickeltes Material möglich ist, den Licht einfan­genden, Elektronen erzeu­genden Teil­prozess von der Weiter­leitung und Frei­setzung der Elektronen zu entkoppeln. Dies könnte den Prozess der Erzeugung speicher­barer solarer Brenn­stoffe erheblich vereinfachen, indem es ihn von der Perio­dizität der Sonnen­einstrahlung ent­koppelt.

Wiley-VCH / JOL

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