Wasserstoff ist in den vergangenen Jahren mehr und mehr in das Interesse energiepolitischer Diskussionen gerückt und verspricht, in der Energieversorgung zukünftig eine wichtige Rolle einzunehmen. Am ­Leibniz-IPHT erforschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Rahmen eines internen Innovationsprojektes, wie sich Wasserstoff durch die lichtgetriebene Wasserspaltung erfolgreich gewinnen lässt.

Am Leibniz-IPHT werden seit vielen Jahren Nanostrukturen auf Silizium-Basis sowie ihre Wechselwirkung mit Licht erforscht. Solche Halbleiterstrukturen im Nanometermaßstab sind beispielsweise als Komponenten für Solarzellen in der Photovoltaik, als biokompatible und innovative Strukturen in der Krebs-Theranostik oder als selbstreinigende Materialien in der Materialwissenschaft von Interesse.

Auch für die Spaltung von Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff mithilfe des Lichts, der sogenannten photokatalytischen Wasserspaltung, erweisen sich Halbleitermaterialien als wertvolle Schlüsseltechnologien. Forschende rund um den Globus arbeiten daran, die Herstellung von Wasserstoff durch Trennung des Wassers weiter zu verbessern, indem sie mit verschiedenen Katalysator-Materialien experimentieren.

Eine vielsprechende Option stellen Silizium-Nanostrukturen dar. Um ihr Potential für die photokatalytische Wasserspaltung zu erschließen sowie Wege für eine effiziente Wasserstofferzeugung aufzuzeigen, untersuchten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Leibniz-IPHT aus den Forschungsabteilungen Funktionale Grenzflächen, Nanobiophotonik und Nanooptik unter Laborbedingungen die Silizium-Nanostrukturen.

Aus einer Siliziumschicht beziehungsweise auf einem Wafer wurden hierzu hochfeine Nanodrähte von unter 100 Nanometern Größe mittels „top-down“ nasschemischer Ätzprozesse strukturiert und mit Silbernanopartikeln dekoriert. Durch diese Strukturierungs- und Veredlungsmethode können die chemisch-physikalischen Eigenschaften des Siliziums gezielt modifiziert werden. Die so erzeugten und mit metallischen Nanopartikeln verfeinerten Siliziumstrukturen brachten die Forschenden anschließend mit einer wasserhaltigen Lösung sowie künstlichem Licht in Kontakt.

In wissenschaftlichen Untersuchungen mithilfe mikroskopischer und spektroskopischer Methoden stellten sie fest, dass die mit Silbernanopartikeln gekoppelten Siliziumnanodrähte den Wirkungsgrad der Wasserstoff­erzeugung deutlich steigern konnten. Die Menge des erzeugten Wasserstoffs wurde dank der mit Silber funktionalisierten Silizium-Nanostrukturen bei gleichzeitiger Bildung von Silizium-Suboxiden an deren Oberfläche während der ablaufenden chemischen Prozesse erheblich vergrößert. Die so erzeugte Rate der Wasserstofferzeugung ist mindestens fünfmal höher als die in der Literatur beschriebenen Werte und damit mit der Wasserstofferzeugung auf Titanoxid-Basis, einem Halbleiter, welcher seit vielen Jahren als Katalysatormaterial bekannt ist, vergleichbar.

Das während des Projektes gewonnene detaillierte Verständnis der Nanomaterialien-Oberfläche bis hinunter auf atomare Ebene, der Wechselwirkungsprozesse an deren Oberfläche während der chemischen Reaktion sowie der ablaufenden photokatalytischen Prozesse liefern einen wichtigen Beitrag für die weitere Erforschung einer wirkungsvollen Wasserstoffgewinnung. Der auf diesen Prinzipien erzeugte Wasserstoff ließe sich speichern, zur Energieerzeugung, aber auch zur Wasserreinigung nutzen.
Das Innovationsprojekt legte den Grundstein für nachfolgende Projekte, die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Zentralen Innovationsprogramm Mitteldeutschland (ZIM) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert wurden.

Im Bild:
In Laborversuchen konnten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Leibniz-IPHT Wasserstoff durch veredelte Silizium-Nanostrukturen erzeugen.             
©Sven Döring