Wasserspaltung auf die einfachere Art
Z-Schema ist der Prozess, in dem die Photosynthese bei Pflanzen unter Einsatz von Licht Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspaltet. Das Z-Schema besteht aus zwei Photosystemen, abgekürzt PSI und PSII. Im PSII aus dem Wasser entfernte Elektronen werden auf die höchste besetzte Molekularebene von PSI übertragen. Während die photogenerierten Elektronen im PSI an der Reduktion von Protonen beteiligt sind, um Wasserstoff zu erzeugen, oxidieren die Löcher im PSII Wassermoleküle, die Sauerstoff erzeugen. HETMAT (Heterostructure nanomaterials for water splitting) war eine EU-finanzierte Initiative zur Synthese von Nanomaterialien zur Wasserspaltung mittels eines verbesserten, rationalen Auslegungsprozesses. Forscher entwarfen ein System, das den effizienten Wasserspaltungsprozess innerhalb der Photosynthese in grünen Pflanzen nachahmt. HETMAT imitierte dieses sogenannte Z-Schema in der Erwartung, dass auf diese Weise viel effizienter Wasserstoff erzeugt werden kann. Um mit Erfolg neuartige Nanomaterialien zu entwerfen, nahmen die Forscher mehrere Änderungen am gängigen Z-Schema vor. Um maßgebliche technische Anforderungen zu erfüllen, hat HETMAT eine Grenzfläche zwischen zwei verschiedenen Nanomaterialien entwickelt und im Folgenden ein Einzelmaterial synthetisiert. Die Forscher modifizierten das Z-Schema mittels selektiven Abscheidens von Metallnanopartikeln auf Halbleiterphasen. HETMAT erforschte verschiedene Halbleitermaterialien und setzte einige in Form von nanostrukturierten Dünnschichten ein, während sie andere in Form von Nanopartikeln verwendeten. Die Forscher untersuchten Materialien wie beispielsweise Zinkoxid (ZnO), mit Silber beschichtetes ZnO, Wolframtrioxid, Eisenoxid, Kupferoxid (CuO) und andere. Maßgeblich für die Studie war, dass die Forscher einen einzigartigen Ansatz zur Herstellung von Kupferhalogenid-Dünnschichten und deren Umwandlung in CuO-Dünnschichten verfolgten. HETMAT demonstrierte erstmalig die galvanische Abscheidung von Kupferchloriddünnfilmen und ergänzte in der Literatur fehlende Details. Über die Erforschung der leistungsfähigen Photokatalyse mittels bekannter Halbleiter hinaus erkundeten die Forscher einen neuartigen Halbleiter auf Basis von Bleitellurvanadat. Die Forscher entwickelten dieses Material, das auf vielfältige Weise, etwa bei der Kationen- oder Anionendotierung, zum Einsatz kommen kann. Die niedrige Synthesetemperatur kann bei industriellen Anwendungen von Vorteil sein, bei denen niedrige Verarbeitungstemperaturen erforderlich sind. Diese Resultate werden den photokatalytischen Aktivitäten im Zusammenhang mit Nanomaterialien für die Gesamtwasserspaltung einen Anschub verpassen, indem man eine Quantenausbeute von mehr als 6.3 % bei 420 nm erreicht. Diese Arbeit wird man über Templating-Systeme in Kombination mit Nasschemie-Syntheserouten vermarkten, damit Nanomaterialien einfacher hergestellt werden können.
Schlüsselbegriffe
Wasserspaltung, Nanomaterialien, Z-Schema, Lichtreaktion, Photosynthese, HETMAT, Halbleitermaterialien, nanostrukturierte Dünnschichten
