Photokatalytische Wasserspaltung

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Die Photokatalytische Wasserspaltung beschreibt den Prozess in dem Photonen direkt genutzt werden um Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufzutrennen. Die Reaktion lässt sich vereinfacht wie folgt beschreiben:

H_2O + 2 h \nu \rightarrow H_2 + \frac{1}{2} O_2

Methoden zur Gewinnung von Wasserstoff werden bei einem Übergang zu einer auf erneuerbaren Energien basierenden Wasserstoffwirtschaft an Bedeutung gewinnen. Der Vorteil der Photokatalyse gegenüber anderen Techniken wie der Elektrolyse besteht darin, dass Ladungstrennung und Spaltung des Wassers von einem Material an der gleichen Grenzfläche durchgeführt werden kann, wodurch Übertragungsverluste minimiert werden können und Material gespart werden kann.

Seit der Entdeckung der photokatalytischen Wasserspaltung am Halbleiter TiO2 im Jahre 1972 durch Akira Fujishima und Kenichi Honda, versucht sich eine Vielzahl an Wissenschaftlern an der Weiterentwicklung geeigneter Materialien.[1]

Aktuelle Forschungen versuchen die nötige Energie der Photonen, die bei A. Fujishima und K. Honda im UV-Bereich lagen, in den Bereich des sichtbaren Lichts zu verschieben. Dazu müssen vor allem Verluste reduziert werden, die an den Grenzflächen zwischen Katalysator und Wasser entstehen. Ein weiteres großes Problem stellt die Zersetzung des Katalysators unter Beleuchtung dar.[2]

Typen von Photokatalysezellen[Bearbeiten]

Die Wasserspaltung mittels Sonnenlicht kann über verschiedene Zellaufbauten realisiert werden. Dabei muss eine Spannung von mindestens 1,23 V zwischen Anode und Kathode aufgebaut werden. Das entspricht der Energie, die aufgewendet werden muss, um ein Wasserstoffatom von einem Sauerstoffatom zu trennen. In der Praxis ist die benötigte Spannung jedoch höher, typischerweise im Bereich von 1,6 bis 2,4 V, was sich auf eine starke Bindung während der Reaktion an den Katalysator, sowie auf Leitungsverluste zurückführen lässt.[3]

n-Typ Photoanode[Bearbeiten]

Energieschema einer n-Halbleiter Photoanode mit Metall Kathode im Kontakt mit einer Elektrolytlösung.

Bei dieser Photokatalysezelle wird die nötige Spannung durch die Anregung eines Elektron-Loch-Paares durch Photonen an der Bandlücke eines n-Halbleiters erzeugt. Durch das Angleichen des Ferminiveaus des n-Halbleiters mit dem Quasi-Ferminiveau des Elektrolyten findet eine Bandverbiegung statt, die eine aktive Ladungstrennung von Elektron und Loch bewirkt. Das Loch wird für die Reaktion des H2O zu O2 verwendet. Um die Fermikante des Metalls über das Potential zu heben, ab dem H+ zu H2 reagiert, muss bei dieser Zellanordnung unter Umständen eine externe Spannung angelegt werden.[4]

p/n-Typ Photoanode/Photokathode[Bearbeiten]

Energieschemas einer n-Halbleiter Photoanode verbunden mit einer p-Halbleiter Photokathode im Kontakt mit einer Elektrolytlösung.

In dieser Zellkonfiguration wird ein p-Halbleiter mit einem n-Halbleiter über einen ohmschen Kontakt verbunden. Im Unterschied zur n-Typ Photoanode findet die Ladungstrennung von Elektron und Loch sowohl an der Photoanode als auch an der Photokathode statt. Die Bandverbiegung des p-Halbleiters führt dabei dazu, dass die Elektronen an die Grenzfläche wandern und dort die Reaktion H+ zu H2 treibt. Die Löcher werden an die Grenzfläche zum n-Halbleiter getrieben, wo sie mit den Elektronen rekombinieren. Für die Erzeugung eines Elektrons und eines Lochs für die Reaktion werden also zwei Photonen benötigt. Diese können jedoch jeweils eine niedrigere Energie aufweisen, als bei einem Ein-Photonen-Prozesses, wodurch das Spektrum der Sonne besser ausgenutzt werden kann.[5]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Akira Fujishima, Kenichi Honda: Electrochemical Photolysis of Water at a Semiconductor Electrode In: Nature. Vol. 238, 1972, S. 37–38.
  2. Michael G. Walter: Solar Water Splitting Cells In: Chem. Rev. 110, 2010, S. 6446–6473.
  3. Michael G. Walter: Solar Water Splitting Cells In: Chem. Rev. 110, 2010, S. 6448 Kap. 2.
  4. Craig A. Grimes Light, Water, Hydrogen – The Solar Generation of Hydrogen by Water Photoelectrolysis Kap. 3.
  5. Michael G. Walter: Solar Water Splitting Cells In: Chem. Rev. 110, 2010, S. 6452 Kap. 2.3.