Neue Elektrode aus Eisenoxid Hämatit macht elektrochemische Wasserspaltung effizienter
Schweizer Forscher haben eine neue Methode entwickelt, um Wasserstoff zu erzeugen. Der vielversprechende Weg hin zu nachhaltigen Kraftstoffen wird ermöglicht durch Algen-Eiweiße, die auch in der natürlichen Photosynthese von Pflanzen eine Rolle spielen. Die Forscher um Artur Braun von der Empa und Edwin Constable von der Universität Basel benutzten für ihre neue Elektrode das Eisenoxid Hämatit. Es ist kostengünstig und in großen Mengen verfügbar - und kann sowohl den ultravioletten als auch den sichtbaren Teil des Sonnenlichts verwenden.
Auf dem Gebiet der nachhaltigen Energieerzeugung gilt die Photosynthese gleichsam als "Heiliger Gral". Bei dem Vorgang wird Sonnenenergie direkt in speicherbaren Kraftstoff umgewandelt, als Ausgangsstoffe benötigt sie lediglich Kohlendioxid (CO2) und Wasser. Forscher versuchen bereits seit langem, die Prozesse der natürlichen Photosynthese nachzuahmen und technisch zu nutzen. So können beispielsweise photoelektrochemische Zellen (PEC) Wasser mit Solarenergie elektrochemisch spalten und dadurch Wasserstoff direkt erzeugen, also ohne den "Umweg", die zur Elektrolyse von Wasser benötigte Energie durch Photovoltaik zu gewinnen.
Die in PEC verwendeten Elektroden werden gewöhnlich aus Halbleitern, etwa Metalloxiden, hergestellt, von denen einige auch photokatalytisch wirken. Forscher der Empa-Abteilung "Hochleistungskeramik" untersuchen schon seit einiger Zeit Nanopartikel dieser Werkstoffe - beispielsweise Titandioxid (TiO2) - mit dem Ziel, damit Luft und Wasser von organischen Schadstoffen zu reinigen. Nun ist es ihnen zusammen mit KollegInnen der Universität Basel und des US-amerikanischen Argonne National Laboratory gelungen, eine PEC-Elektrode zu entwickeln, mit der sich Wasser doppelt so effizient spalten lässt wie mit bisherigen Eisenoxidelektroden. Die neuartige "Nano-Bio"-Elektrode besteht aus Eisenoxidpartikeln, an die ein Protein aus Blaualgen gekoppelt ist.
Von der Natur inspiriert
Eisenoxid, insbesondere Hämatit (alpha-Fe2O3), ist ein viel versprechendes Material für PEC-Elektroden, da es auch den sichtbaren Teil des Sonnenlichts absorbiert und dieses dadurch effizienter nutzt als etwa TiO2, das nur den ultravioletten Anteil verwenden kann. Außerdem ist Hämatit kostengünstig und in großen Mengen verfügbar.
Der zweite Bestandteil der neuartigen Elektrode ist das Blaualgenprotein Phycocyanin. "Die natürliche photosynthetische Maschinerie der Cyanobakterien, in der Phycocyanin als wichtigste Licht sammelnde Komponente fungiert, hat mich inspiriert; ich wollte mit Hilfe von Keramik und eben diesen Proteinen die Photosynthese sozusagen nachbauen", erinnert sich Debajeet K. Bora, der im Rahmen seiner Doktorarbeit an der Empa die neue Elektrode entwickelte. "Das Konzept der Oberflächenfunktionalisierung von Hämatit mit Proteinen war in der PEC-Forschung vorher vollkommen unbekannt."
Nachdem Bora Phycocyanin kovalent an Hämatit-Nanopartikel gekoppelt und diese in einem dünnen Film immobilisiert hatte, absorbierte das konjugierte Hämatit deutlich mehr Photonen als ohne Protein: Der Photostrom der hybriden Elektrode verdoppelte sich im Vergleich zu einer "normalen" aus Eisenoxid.
Verdoppelte Effizienz
Zur Überraschung der Forscher wurde der Proteinkomplex während des Betriebs der PEC nicht zerstört, obwohl er in alkalischer Umgebung und unter Lichteinfluss in direkten Kontakt mit einem Photokatalysator kam. Chemiker hätten bei derart korrosiven und aggressiven Bedingungen eigentlich eine vollständige Denaturierung der Biomoleküle erwartet. "Photokatalysatoren sind darauf ausgelegt, umweltbelastende Kohlenwasserstoffe zu zerstören. Hier haben wir jedoch eine andere Situation", sagt Projektleiter Artur Braun. "Es scheint eine delikate Balance zu geben, bei der organische Moleküle nicht nur die Photokatalyse überleben, sondern unseren Keramikkatalysatoren sogar einen Vorteil verleihen: Sie verdoppeln den Photostrom. Das ist ein enormer Fortschritt." (red)
