Treibstoff aus Wasser durch Sonnenlicht
Die Natur liefert oft die Inspiration für wissenschaftliche Bemühungen. Die Verwendung des Sonnenlichts in künstlichen Photosynthesegeräten, um molekularem Wasserstoff (H2) zu erzeugen, beispielsweise für den Einsatz in Brennstoffzellen, ist Thema vieler Forschungen. Photokatalytische Systeme teilen Wassermoleküle in H2 und Sauerstoff. Es sind neuartige Materialien mit größerer Effizienz und Stabilität bei geringeren Kosten erforderlich. Die Wissenschaftler erforschten Hybrid-Nanomaterialien aus nanostrukturiertem Kohlenstoff und anorganische Halbleiter mit einer Unterstützung durch die EU des Projekts CARINHYPH(öffnet in neuem Fenster) (Bottom-up fabrication of nano carbon-inorganic hybrid materials for photocatalytic hydrogen production). Das Team nahm hochwertige Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Graphen und funktionalisierte sie für eine spätere Integration mit der anorganischen Verbindung über ein in situ Wachstum in verschiedenen Architekturen: Nano-Kohlenstoff-Membranen und Fasern, mesoporöse Gyroid-Hybriden und elektrogesponnene Strukturen. Nanokohlenstoffe wie beispielsweise Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Graphen weisen eine ausgezeichnete Ladungsträgerbeweglichkeit, eine große Oberfläche und eine gute elektrische Leitfähigkeit auf. Sie erweitern den Lichtabsorptionsbereich der Hybride, so dass sie die Menge an Sonnenenergie, die für die photokatalytische Reaktion gefangen wird, erhöhen. Darüber hinaus ist die Lebensdauer der Elektronen-Lochpaare in den Hybriden länger als jen in rein anorganischen Materialien, wodurch sich photokatalytische Ausbeuten erhöhen. Ein wichtiger Aspekt des Projekts war der Schwerpunkt auf Grenzflächenentwicklung als Mechanismus zur Steuerung der Ladungstransferprozesse zwischen den Hybriden und damit zur Steigerung der Ladungslebensdauer und der photokatalytischen Effizienz. Das Projekt erzielte Fortschritte bei der Optimierung der Synthesewege, um dies zu erreichen. Modernste Spektroskopietechniken lieferten einmalige Einblicke in die elektronischen Eigenschaften am Nano-Kohlenstoff / anorganischen Halbleiter-Übergang und Elemente, um die Synthesewege entsprechend anzupassen. Um die photokatalytische Wirksamkeit der Hybride zu testen, bauten die Wissenschaftler sie in makroskopische Strukturen ein. Die Ergebnisse zeigten eine rekordverdächtige H2-Produktion unter UV-Bestrahlung von mesoporösen Ta2O5 Gyroiden mit und ohne Platin Co-Katalysatoren. Es zeigte sich, dass Nanokohlenstoffe die photokatalytische Aktivität erhöhen, wenn sie in geringen Anteilen zugesetzt werden. Kurzfristig trägt CARINHYPH zum rationalen Design und Synthese neuer nanostrukturierter Hybriden mit verbesserter Katalysatorleistung im Bereich der nachhaltigen Energieanwendungen bei. Dazu gehören Wasserspaltung, Wasserreinigung, Photoelektrochemie und Photovoltaik-Anlagen. Auf lange Sicht werden diese nanostrukturierten Hybridsysteme zur Lösung der EU-Energie Herausforderungen beitragen.
Schlüsselbegriffe
Graphene, Kohlenstoff-Nanoröhren, photokatalytischer, Wasserstoff, CARINHYPH, Hybridmaterialien
