2D-Janus-Materialien könnten reichlich Wasserstoff als Kraftstoff gewinnen
Eine neue Gruppe asymmetrischer 2D-Materialien kann die Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff leicht katalysieren
In mehreren Studien wurde vorhergesagt, dass die Wasserspaltungsreaktion durch bestimmte Gruppen von 2D-Materialien katalysiert werden könnte, die jeweils nur wenige Atome dick sind. Eine besonders vielversprechende Gruppe sind die sogenannten 2D-Janus-Materialien, deren zwei Seiten jeweils eine andere molekulare Zusammensetzung aufweisen. Anhand neuer Berechnungen, die im EPJ B detailliert beschrieben werden, stellen Junfeng Ren und Kollegen von der Shandong Normal University in China eine neue Gruppe von vier 2D-Janus-Materialien vor, die für diese Aufgabe besonders gut geeignet sein könnten.
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Da bei der Verbrennung von Wasserstoff eine Fülle von Energie freigesetzt wird, bei der nur Wasser als Nebenprodukt anfällt, wird er heute allgemein als hervorragende Alternative zu fossilen Brennstoffen angesehen. Die Aufspaltung von Wassermolekülen ist eine "Redoxreaktion", bei der Elektronen und Löcher an Reduktions- und Oxidationsreaktionen teilnehmen. Da sie ausgezeichnete Halbleiter sind, eignen sich die 2D-Janus-Materialien besonders gut als Katalysator für diese Reaktion. Wenn ein Elektron im isolierenden "Valenzband" eines Halbleiters ein Photon absorbiert, wird es in das "Leitungsband" des Materials angeregt und hinterlässt ein positiv geladenes Loch. Diese Materialien wiederum sind sowohl Quelle als auch Empfänger von Elektronen, wodurch Redoxreaktionen leichter ablaufen können.
In ihrer theoretischen Studie untersuchte Rens Team eine Gruppe von vier dieser Materialien: eine Oberfläche besteht entweder aus Selen oder Tellur, die andere aus Brom oder Jod, wobei beide Seiten von einer mittleren Schicht aus Astatin umgeben sind. Bei diesen Halbleitern lagen die Energien der Valenz- und Leitungsbänder weit genug auseinander, um zu verhindern, dass sich Elektronen und Löcher ohne weiteres rekombinieren können, so dass sie sich zu Wasserstoff und Sauerstoff verbinden können. Da alle vier Materialien eine ausgezeichnete Stabilität und Lichtabsorption aufweisen, sind die Forscher der Ansicht, dass sie äußerst vielversprechende Kandidaten für die Katalyse der Wasserspaltungsreaktion sein könnten. Wenn diese Ergebnisse in Experimenten reproduziert werden können, hofft das Team um Ren, dass die vier Materialien ein Schlüsselelement für die globalen Bemühungen zur Beseitigung unserer Kohlenstoffemissionen in den nächsten Jahrzehnten werden könnten.
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