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Es ist eine der größten Herausforderungen der Forschung: Die Nachahmung der pflanzlichen Photosynthese zur Umwandlung von stabilen und reichlich vorhandenen Molekülen wie H2O und CO2 in energieeffiziente Kraftstoffe wie Wasserstoff oder chemische Produkte für die Industrie. Um diesem Traum näher zu kommen und Wasserstoff mit Hilfe von Sonnenenergie herzustellen, hat das DLR sogar die größte künstliche Sonne der Welt erschaffen. Der praktische Einsatz der künstlichen Photosynthese blieb bisher begrenzt, da zum Einfangen des Sonnenlichts teure und giftige Metallverbindungen nötig sind.
Französische Forscher finden Alternative
Forscher des französischen Zentrums für wissenschaftliche Forschung (CNRS), der französischen Behörde für Atomenergie und alternative Energien (CEA) und der Universität Grenoble Alpes haben nun eine effiziente Alternative entwickelt: halbleitende Nanokristalle, sogenannte Quantenpunkte, auf Basis preiswerter und weniger toxischer Metalle wie Kupfer-, Indium- und Schwefel.
Bei der künstlichen Photosynthese absorbieren die Chromophoren (auch: Photosensibilisatoren) die Lichtenergie und leiten die Elektronen an den Katalysator weiter. Dieser löst die chemische Reaktion aus. Obwohl in den letzten Jahren zahlreiche Fortschritte bei der Entwicklung von edelmetallfreien Katalysatoren erzielt wurden, basieren die meisten Photosensibilisatoren noch immer auf molekularen Verbindungen auf der Basis seltener und kostspieliger Metalle, wie Ruthenium und Iridium, oder auf halbleitenden anorganischen Materialien, die das giftige Metall Kadmium enthalten.
Hybridsystem vereint Absorptionseigenschaften und Effizienz
Durch die Bündelung ihrer Kenntnisse in der Werkstofftechnik und der Photokatalyse gelang den Forschern zum ersten Mal die effiziente Herstellung von molekularem Wasserstoff. Sie verbanden halbleitende anorganische Nanokristalle mit einem Kern aus Kupfer- und Indiumsulfid, geschützt durch eine Zink-/Schwefelhülle, mit einem molekularen Katalysator auf Kobaltbasis. Dieses Hybridsystem verbindet die exzellenten Eigenschaften zur Absorption sichtbaren Lichts und die Stabilität von anorganischen Halbleitern mit der Effizienz molekularer Katalysatoren.
Kommt es zu einer Überschussproduktion von Vitamin-C (dem Elektronenlieferanten für das System) bewirkt dies eine bemerkenswerte katalytische Aktivität im Wasser – das bislang beste Ergebnis seit der Verwendung cadmiumfreier Quantenpunkte.
Die Leistungen des Systems liegen aufgrund der großen Stabilität der anorganischen Materialien – die ohne größeren Aktivitätsverlust mehrfach recycelt werden können – weit über denen mit rutheniumbasierten Photosensibilisatoren. Diese Ergebnisse zeigen das große Potenzial solcher Hybrid-Systeme zur Herstellung von Wasserstoff aus Sonnenenergie.
