Neue Rezepturen für eine bessere Produktion von Solarkraftstoffen
Produktion von Solartreibstoffen durch neuartige Kombinationen von Methoden und Materialien zur Herstellung neuer Photokatalysatoren optimieren
Genauso wie ein hervorragendes Essen die richtigen Zutaten erfordert, die fachmännisch zubereitet werden, müssen für die Herstellung besserer grüner Brennstoffalternativen die richtigen Materialien und Methoden kombiniert werden.
Kürzlich hat ein Forscherteam aus China und dem Vereinigten Königreich neue Wege zur Optimierung des Rezepts für die Herstellung von Solarkraftstoffen gefunden.
Wasserstoff ist eine emissionsfreie Energiequelle, die mit Hilfe von Solarenergie aus Wasser gewonnen werden kann und ein großes Potenzial für die Eindämmung der Klimakrise bietet.
Das Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff aus Wasser wird als "Wasserspaltung" bezeichnet, weil dabei Wasser in seine beiden Elemente Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird. Für die Wasserspaltung wird ein Halbleiter-Photokatalysator benötigt, eine Substanz oder Verbindung, die das Sonnenlicht absorbiert und dann dessen Energie für den Spaltungsprozess nutzt.
Halbleiter-Photokatalysatoren für die Wasserspaltung sind jedoch unterschiedlich effizient.
Durch die Verwendung neuartiger Kombinationen von Methoden und Materialien zur Schaffung neuartiger Photokatalysatoren haben die Forscher die Effizienz der Wasserstoffproduktion verbessert.
Dr. Graham Dawson, der die Studien an der Xi'an Jiaotong-Liverpool University leitete, erklärt: "Indem wir unseren Photokatalysatoren mit Hilfe spezieller Mischverfahren Materialien wie Gold oder Bornitrat hinzufügen, können wir die Lichtmenge, die absorbiert wird, erhöhen.
"Je mehr Licht absorbiert wird, desto mehr geeignete Energie steht für die Wasserspaltung zur Verfügung, so dass die Wasserstoffproduktion gesteigert wird", erklärt er.
Das perfekte Rezept finden
Der Erstautor einer der jüngsten Studien des Teams, Yanan Zhao, erklärt, dass die Modifizierung der üblicherweise als Photokatalysatoren verwendeten Materialien dazu beiträgt, ihre Grenzen zu überwinden. Eines der am häufigsten verwendeten Materialien ist Titandioxid.
"Titandioxid kann Energie direkt von der Sonne mit vernachlässigbarer Verschmutzung nutzen und hat ein großes Potenzial für die Entwicklung von Solartechnologien", sagt sie.
"Allerdings kann es nur durch UV-Licht aktiviert werden, das nur 7 % des Sonnenlichts ausmacht. Es kann die Energie des sichtbaren Lichts nicht absorbieren", erklärt Zhao, die ihren Master-Abschluss in Chemie an der XJTLU machte und ein Vollstipendium für ihre Promotion an der University of North Dakota erhielt.
Die Forscher fanden heraus, dass durch Hinzufügen von Bornitrid zu einer Form von Titandioxid ein Photokatalysator entsteht, der die Energie von mehr Wellenlängen als UV-Licht absorbieren kann. Bornitrid, eine Verbindung aus Bor und Stickstoff, hat eine gute elektrische Leitfähigkeit und kann Temperaturen von bis zu 2000 Grad Celsius standhalten.
Zhao erklärt das Verfahren: "Zur Herstellung des photokatalytischen Kompositmaterials haben wir Bornitrid mit Titanat-Nanoröhrchen kombiniert, das sind röhrenförmige Strukturen mit Abmessungen in Nanometern - ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter.
"Durch die Optimierung des Verhältnisses von Bornitrid zu Titanat-Nanoröhrchen und die Verwendung chemischer Verfahren zur Kombination der Verbindungen haben wir einen sehr stabilen Verbund-Photokatalysator hergestellt. Er kann Licht aus einem breiteren Wellenlängenbereich absorbieren und im Vergleich zu herkömmlichen physikalischen Mischverfahren mehr Wasserstoff erzeugen."
Ein Goldrausch
In einer zweiten Studie fand das Team von Dr. Dawson eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung der photokatalytischen Effizienz bei der Wasserspaltung.
Sie fanden heraus, dass die Beschichtung der Oberflächen bestimmter Arten von photokatalytischen Strukturen mit einer bestimmten Größe von Goldnanopartikeln die Lichtmenge, die sie absorbieren können, erhöht.
Shiqi Zhao, der Erstautor dieser Studie, erklärt: "Die Struktur des verwendeten photokatalytischen Materials ist sehr wichtig. In dieser Studie haben wir zwei Formen von photokatalytischen Nanostrukturen verwendet - Nanoblätter und Nanoröhren.
"Wir haben sie mit unterschiedlich großen Goldpartikeln beschichtet, um zu sehen, welche Kombination die größte Menge an Wasserstoff aus Wasser erzeugt.
"Unsere Ergebnisse zeigten, dass die mit kleinen, gleichmäßigen Goldpartikeln modifizierten Nanoblätter die beste photokatalytische Leistung der getesteten Materialien aufwiesen. Diese goldbeschichteten Nanostrukturen zeigten eine etwa 36-mal höhere photokatalytische Wasserstoffproduktionsleistung als unmodifizierte Nanoröhren", fährt er fort.
"Dies liefert ein neues Verständnis dafür, wie photokatalytische Halbleitermaterialien mit Goldnanopartikeln modifiziert werden können, und hat wertvolle Anwendungen in den Bereichen der photokatalytischen Wasserstoffproduktion, Solarzellen und optischen Sensoren."
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Originalveröffentlichung
Enhanced photocatalytic hydrogen production by the formation of TiNT-BN bonds; Applied Surface Science; Volume 623, 30 June 2023, 157005.
Enhanced photocatalytic activity through anchoring and size effects of Au nanoparticles on niobate nanotubes and nanosheets for water splitting; Optical Materials; Volume 139, May 2023, 113753.
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