Photokatalytische Wasserspaltung

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

${\displaystyle H_{2}O+2h\nu \rightarrow H_{2}+{\frac {1}{2}}O_{2}}$

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] Neben der Synthese von Wasserstoff werden auch speicherfreundlichere Energieträger mit höherer Volumensenergiedichte, wie z. B. Wasserstoffperoxid untersucht.^[2]

Aktuelle Forschungen zielen darauf ab, 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.^[3]

1. ↑ A. Fujishima, K. Honda: Electrochemical Photolysis of Water at a Semiconductor Electrode In: Nature. Vol. 238, 1972, S. 37–38.
2. ↑ Shunichi Fukuzumi, Yusuke Yamada, Masaki Yoneda, Kentaro Mase: Seawater usable for production and consumption of hydrogen peroxide as a solar fuel. In: Nature Communications. Band 7, 4. Mai 2016, ISSN 2041-1723, S. 11470, doi:10.1038/ncomms11470 (nature.com [abgerufen am 17. August 2019]). 
3. ↑ M. G. Walter, E. L. Warren, J. R. McKone, S. W. Boettcher, Q. Mi, E. A. Santori, und N. S. Lewis: Solar Water Splitting Cells In: Chem. Rev. 110, 2010, S. 6446–6473.