China erzielt einen neuen Durchbruch in der Forschung zur Umwandlung von Wasser in Treibstoff.

Laut der Nachrichtenagentur Xinhua wurden die entsprechenden Forschungsergebnisse am 8. April im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht.

Wissenschaftler untersuchen am 7. April im Shenyang Materials Research Center – Institute of Metals Research der Chinesischen Akademie der Wissenschaften eine Probe eines modifizierten photokatalytischen Halbleitermaterials aus Titandioxid (TiO₂). Foto: Xinhua News Agency

Vor 1500 Jahren sagte der Science-Fiction-Autor Jules Verne voraus, dass Wasser der ultimative Treibstoff der Zukunft sein würde. Heute arbeiten Wissenschaftler daran, diese Vorhersage Wirklichkeit werden zu lassen.

Liu Gang, Direktor des Instituts für Metallforschung der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Leiter des Forschungsteams, sagte, dass die chinesische Forschungsgruppe kürzlich einen Durchbruch auf dem Gebiet der „photokatalytischen Wasserspaltung zur Wasserstofferzeugung“ erzielt habe.

Durch „Umstrukturierung“ und „Elementaustausch“ im photokatalytischen Halbleitermaterial Titandioxid (TiO₂) konnte das Team die Effizienz der direkten Erzeugung von Wasserstoffgas aus Sonnenlicht deutlich verbessern.

Die entsprechenden Forschungsergebnisse wurden am 8. April im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht.

Derzeit gibt es zwei Hauptmethoden zur Wasserstofferzeugung aus Solarenergie.

Eine Methode besteht darin, mit Solarzellen Strom zu erzeugen und anschließend das Wasser zu elektrolysieren – obwohl die Ausrüstung hocheffizient ist, ist sie komplex und teuer.

Die zweite Methode ist die direkte Photolyse mit Sonnenlicht – dabei werden Halbleitermaterialien wie Titandioxid eingesetzt, um Wasser unter Sonnenlicht zu „spalten“.

Das Team von Liu Gang konzentrierte sich in seiner Forschung auf die zweite Methode.

Laut der Erklärung steht die traditionelle Methode der Wasserspaltung mit Titandioxid vor einem großen Problem: Wenn Licht auf Titandioxid fällt, entstehen darin geladene Teilchen (Elektronen und Löcher), die als „Werkzeuge“ zur Wasserspaltung dienen. Diese Elektronen und Löcher sind jedoch instabil.

Liu Gang erklärte: „Elektronen und Löcher sind wie Rennwagen, die sich verirrt haben und in einem Labyrinth aus Materialstrukturen planlos zusammenstoßen; die meisten rekombinieren und verschwinden innerhalb einer Millionstelsekunde. Darüber hinaus führt die Hochtemperaturfertigung oft dazu, dass Sauerstoffatome ihre Positionen verlassen, wodurch Sauerstoffleerstellen entstehen und Elektronen eingefangen werden, was alles die Effizienz der photokatalytischen Reaktion verringert.“

Um dieses Problem zu lösen, führte das Forschungsteam auf kreative Weise ein „nachbartes“ Element von Titan im Periodensystem ein – Scandium (Sc) –, um Titandioxid zu verbessern. Die Ergebnisse zeigten, dass Scandium drei wesentliche Vorteile bietet:

Erstens ist der Ionenradius von Sc mit dem von Ti vergleichbar, sodass es in das Kristallgitter eingebettet werden kann, ohne die Struktur zu verzerren.

Zweitens trägt der stabile Valenzzustand von Sc dazu bei, das durch die Sauerstofflücke verursachte Ladungsungleichgewicht zu neutralisieren.

Drittens können Sc-Ionen die Kristalloberfläche umstrukturieren und eine spezielle Oberflächenstruktur erzeugen, ähnlich wie beim Bau von „Autobahnen und Kreuzungen für Elektronen und Elektronenlöcher“, wodurch diese leichter aus dem Labyrinth entkommen können.

Dank ausgeklügelter Anpassungen gelang es dem Team, Titandioxid mit herausragenden Eigenschaften herzustellen: Seine UV-Absorptionskapazität überstieg 30 %, und seine Wasserstoffproduktionseffizienz unter simuliertem Sonnenlicht erhöhte sich im Vergleich zu ähnlichen Materialien um das 15-fache und stellte damit einen neuen Rekord in diesem Materialsystem auf.

Herr Liu Gang erklärte: „Wenn dieses Material zur Herstellung eines 1 Quadratmeter großen photokatalytischen Panels verwendet wird, kann es unter Sonneneinstrahlung etwa 10 Liter Wasserstoffgas pro Tag produzieren.“

Die Forscher ergänzten, dass Titandioxid ein weit verbreitetes anorganisches Material in der Industrie sei, wobei China über 50 % der weltweiten Produktion ausmache und somit eine geschlossene industrielle Wertschöpfungskette bilde. Gleichzeitig besitze China die weltweit größten Reserven des Seltenerdelements Scandium. Dies berge ein potenzielles industrielles Potenzial für die Entwicklung und Anwendung photokatalytischer Materialien in der Zukunft.

Da sich die Effizienz der photovoltaischen Wasserspaltung stetig verbessert, birgt diese Technologie das Potenzial für den Einsatz in der industriellen Produktion und treibt so die Transformation der globalen Energiestruktur voran.

Quelle: https://baotintuc.vn/khoa-hoc-cong-nghe/trung-quoc-dat-dot-pha-moi-trong-tien-trinh-nghien-cuu-bien-nuoc-thanh-nhien-lieu-20250409112539937.htm