Neue Materialien: Wasser spalten leicht gemacht?

Es ist flüchtig, das häufigste Element im Universum und es ruhen auf ihm die Hoffnungen für die Energiewende: Wasserstoff. In einer Zukunft ohne fossile Brennstoffe werden wir irgendwann zahlreiche industrielle Prozesse mit nachhaltig produziertem Gas befeuern müssen.

Die elektrochemische Spaltung von Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff ist einfach: Es genügen im Prinzip ins Wasser gehängte Elektroden, wo die Gase quasi sortenrein entstehen; der nötige Strom stammt aus Sonnenlicht oder Windenergie.

Die Forschenden am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) gehen noch einen Schritt weiter. Sie entwickeln Materialien, die gleichzeitig Sonnenlicht einfangen und Wasser spalten. Vielversprechend sind dafür Oxide von Metallen. Diese sind preiswert und ungiftig und sich auf einen Träger aufsprühen – ein „einfaches und damit günstiges Design“, sagt Markus Schleuning vom HZB: „Die entstehende Abwärme aus dem Licht beschleunigt zudem die chemische Reaktion.“ 

Effizienz als größte Hürde

In der Theorie hat dieser Ansatz viele Vorteile, doch in der Praxis sind die Materialien bisher ineffizient. Ein herkömmliche Aufbau mit Solarmodulen schafft im Labor bis zu 30 Prozent Energie-Effizienz, die Metalloxide gerade einmal ein Prozent. Schleuning hat nun mithilfe von Mikrowellen, Terahertz-Wellen und Laserlicht untersucht, wie sich die geladenen Teilchen innerhalb dieser Materialien gegenseitig blockieren und so den Ladungstransport über längere Strecken verhindern. Insbesondere die Grenzflächen machen Probleme, schildert er im Fachblatt „Advanced Functional Materials“. Durch eine Wärmebehandlung gelang es jedoch, eine Verbindung aus den Metallen Barium und Zinn zu verbessern. Auf diese Weise hofft er, die Kandidaten für wettbewerbsfähige Elektroden zu finden und weiterzuentwickeln. 

Doch der Weg zur Marktreife ist steinig, sagt Schleuning: „Für ein neues Material ist es derzeit schwierig, Anschluss zu finden.“ Normale Solarzellen würden derzeit in großem Maßstab gefertigt und seien daher extrem billig. Davon abgesehen könne die Technologie in fünf bis zehn Jahren einsatzfähig sein, sagt der Physiker. Streng genommen sei sie das bereits jetzt, nur eben nicht wirtschaftlich: 2021 hat ein japanisches Team eine Testanlage mit 100 Quadratmeter Größe in Betrieb genommen und über Monate betrieben. Hier machte vor allem das Abtrennen des Brennstoffs aus dem feuchten Gas-Mix Probleme.

In Wannsee und Adlershof forscht das HZB an verschiedenen nachhaltigen Energie-Technologien, darunter auch Solarzellen und Batterien. Mit den lichtaktiven Metalloxiden würden sie den Wasserstoff beispielsweise auch gern an Chemikalien koppeln.

Nicht nur mit Elektrizität lässt sich Wasser in seine Bestandteile zerlegen. Bei Temperaturen 2500 Grad Celsius zersetzt sich das nasse Element von selbst, mit der Unterstützung durch Katalysatoren auch bei weniger Hitze.

Außerdem hat die Natur Jahrmillionen Erfahrung bei der Wasserspaltung mit Sonnenlicht: Mikroorganismen haben erst unsere Sauerstoffatmosphäre erschaffen, die heute Grundlage fast allen Lebens ist. Einige Algen produzieren im Labor bereitwillig Wasserstoff, doch auch diese Ansätze sind noch nicht bereit für den Einsatz im industriellen Maßstab.