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Metallpartikel steigern die Wasserstoffproduktion aus Glycerin
Titandioxid kann mithilfe von Licht Wasserstoff aus Glycerin erzeugen, arbeitet für sich genommen aber wenig effizient. In Laborversuchen lieferten Katalysatoren mit Platin und Gold bis zu hundertmal so viel Wasserstoff wie reines Titandioxid. Entscheidend ist dabei auch, wie fein die Metalle auf dem Katalysator verteilt sind. Günstigeres Kupfer könnte eine Alternative bieten.
Córdoba (Spanien). Wasserstoff kann beim Einsatz als Energieträger ohne Kohlendioxidausstoß verbrennen. Wie klimafreundlich er tatsächlich ist, hängt jedoch vor allem von der Herstellung ab. Ein möglicher Weg besteht darin, Licht zu nutzen, um aus organischen Stoffen und Wasser Wasserstoff zu gewinnen.
Dafür eignet sich unter anderem Titandioxid. Das preiswerte und stabile Material wirkt als Fotokatalysator, der durch einfallendes Licht chemische Reaktionen antreibt. Allein ist seine Leistung jedoch begrenzt, weil sich die im Material erzeugten elektrischen Ladungen leicht wieder vereinigen, bevor sie zur Wasserstoffbildung beitragen können.
Forscher der Universidad de Córdoba (UCO) haben deshalb untersucht, welche Metalle Titandioxid bei der Wasserstoffgewinnung unterstützen und wie diese aufgebracht werden müssen. Als Ausgangsstoff diente Glycerin, ein organischer Stoff, der beispielsweise bei der Biodieselherstellung anfällt. Das Verfahren heißt Fotoreformierung und unterscheidet sich von der direkten Spaltung reinen Wassers.
In ihren Laborversuchen verglichen die Wissenschaftler sechs Metalle auf Titandioxid: Platin, Gold, Kupfer, Kobalt, Eisen und Zink. Die Proben wurden bei lichtgetriebenen Reaktionen mit Glycerin auf ihre Wasserstoffproduktion untersucht. Dabei waren Platin und Gold am wirksamsten, wie der Vergleich mit Titandioxid ohne Metallzusatz ergab.
Die besten Edelmetall-Katalysatoren erzeugten bis zu hundertmal so viel Wasserstoff wie reines Titandioxid. Diese Steigerung beschreibt einen Vergleich innerhalb des untersuchten Laborsystems und keine bereits erreichte Ausbeute einer industriellen Anlage. Sie zeigt vor allem, wie stark die Eigenschaften der Oberfläche den chemischen Prozess beeinflussen können.
Neben der Metallart hat das Team zwei Herstellungsverfahren verglichen. Bei der sogenannten Fällungsabscheidung lagerten sich die Metalle in kleineren, gleichmäßiger verteilten Partikeln auf dem Titandioxid ab als bei der Imprägnierung. Die feine Verteilung ging im Versuch mit einer höheren Wasserstoffproduktion einher.
Offenbar ist daher nicht allein entscheidend, wie viel Metall auf dem Trägermaterial vorhanden ist. Wichtig ist auch, wie gut die einzelnen Partikel die Oberfläche zugänglich halten und den Transport der durch Licht erzeugten Ladungen unterstützen. Bei Platin-Proben verbesserte zudem eine reduzierende Vorbehandlung bei 400 Grad Celsius die Aktivität, weil verbliebene Chloridreste entfernt wurden.
Die Forscher haben außerdem das Verhältnis zwischen gebildetem Wasserstoff und Kohlendioxid ausgewertet. Daraus leiteten sie ab, dass metallhaltige Katalysatoren zu Beginn eher die Abspaltung von Wasserstoff aus dem Glycerin begünstigen. Reines Titandioxid fördert demnach früher das Aufbrechen von Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen.
Die Unterschiede zeigen, dass die Metalle nicht nur die Menge des erzeugten Wasserstoffs beeinflussen. Sie verändern offenbar auch, welche Teilschritte der Reaktion bevorzugt ablaufen. Die Zuordnung der Reaktionswege beruht dabei auf der Analyse der entstehenden Gase und ist keine direkte Beobachtung jedes einzelnen molekularen Schrittes.