Nanodrahtforschung kündet von neuer Generation tragbarer solarbetriebener Geräte
Solare Brennstoffe, d. h. mit Hilfe von Sonnenlicht zur Photosynthese hergestellte synthetische chemische Brennstoffe, stellen eine vielversprechende erneuerbare Alternative zu fossilen Brennstoffen dar, welche die CO2-Emissionen eindämmen könnte. EU-finanzierte Forscherinnen und Forscher des SOLARFUELS-Projekts haben ein neues Verfahren zur großtechnischen Herstellung von ausgerichteten Siliziumkarbidnanodrähten entwickelt, das neue Wege eröffnet. So können Nanodrähte beim Entwurf zukünftiger tragbarer, mit Solarbrennstoff betriebener Geräte zum Einsatz kommen, die durchaus das Potenzial haben, sperrige Solarmodule und Batterien zu ersetzen. Nanomaterialien haben eine große Oberfläche, was den Wirkungsgrad der Energieumwandlung erhöht, während Siliziumkarbidnanodraht-Halbleiter im Bereich des sichtbaren Lichts ein effizientes photokatalytisches Leistungsverhalten aufweisen. Ein Ausrichten der Nanodrähte erleichtert die Steuerung der Fähigkeit zum Einfangen von Licht und ist ein entscheidender Schritt zum Entwurf von Bauelementen und Geräten. „Ausgerichtete Siliziumkarbidnanodrähte, die das Einfangen von Licht und den Elektronentransfer unterstützen, können zur Umwandlung von Sonnenenergie genutzt werden“, sagt Jindui Hong, der für diese Forschung ein auf zwei Jahre angelegtes Marie-Skłodowska-Curie-Stipendium an der Universität Oxford im Vereinigten Königreich erhielt. „ Wir haben diese Umwandlung nun gezeigt. Außerdem haben wir sie unter Einsatz eines In-situ-Diagnoseinstruments gemessen, das wir gleichermaßen im Rahmen der früheren EU-finanzierten Projekte DEDIGROWTH und DEVICE entwickelt haben“, berichtet SOLARFUELS-Projektkoordinatorin Nicole Grobert, Professorin für Nanomaterialien in Oxford. Sie erläutert: „Wir haben die Masse an freigesetzten Molekülen gemessen, die bisher für die Umwandlung von Kohlenstoffnanoröhren in Siliziumkarbid nur theoretisch vorhergesagt wurde. Es wurden erstmalig Experimente durchgeführt, um die Umwandlungsreaktion in situ zu überwachen, um zu verstehen, wie diese Nanodrähte eigentlich gebildet werden.“ „Indem wir die Chemie von Kohlenstoffnanoröhren verändern und Siliziumkarbidnanodrähte erzeugen, können wir Kontrolle über die Bandlücke erlangen, die man bei konventionellen mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren nicht zwingend erlangt“, erklärt sie unter Bezugnahme auf die mehrfach gewalzten Kohlenstoffschichten bei früheren Forschungsvorhaben, die andere Eigenschaften aufweisen. Hochskalieren erwünscht Engpass für den Einsatz von Nanomaterialien in industriellen Anwendungen ist, sie in großtechnisch herstellen zu können, ohne die Eigenschaften des Materials zu verändern, wobei die meiste Forschung über Photosynthese unter Nutzung von Nanomaterialien auf experimentellen Beobachtungen weniger, mit bloßem Auge unsichtbarer Moleküle oder Milligramm beruht. Das Labor an der Universität Oxford ist bereits auf eine Großproduktion von ausgerichteten Kohlenstoffnanoröhren eingerichtet, so dass ein Kohlenstoffnanoröhren-Template verwendet wurde, um die ausgerichteten Siliziumkarbidnanodrähte herzustellen. „Wir haben ein Rezept entwickelt, anhand dessen wir Siliziumkarbidnanodrähte in der Größenordnung von Gramm erzeugen können. Und bei Tests hat sich ergeben, dass sie bei photokatalytischer Reaktion im sichtbaren Licht effizient sind“, sagt Professorin Grobert. „Wir verfügen nun über ausreichend Nanomaterial, um ein leichtes tragbares Gerät zu schaffen, das auch unterwegs zum Einsatz kommen kann.“ Entwurf und Realisierung eines Geräts im Taschenformat wird die Aufgabe eines neuen Projekts sein. Da es sich bei Sonnenlicht in der Hauptsache um sichtbares Licht handelt, „ist es ein Gewinn, sichtbares Licht ernten und es in Energie umwandeln zu können. Wir müssen nur Licht irgendwohin bringen, um Transformatoren und den zusätzlichen Schritt der Energieerzeugung überflüssig werden zu lassen“, erklärt Professorin Grobert. „Bei einem Prozess, für den Energie gebraucht wird, kann man das Sonnenlicht direkt in die Anwendung leiten.“ Auch Wasser reinigen Obwohl das anfängliche Projektziel darin bestand, Nanomaterialien bei der Energieumwandlung einzusetzen, fanden die Forscherinnen und Forscher außerdem heraus, dass Siliziumkarbidnanodrähte die Verunreinigung von Wasser mit Hilfe von sichtbarem Licht in sehr kurzer Zeit reduzieren. „Sie bewirken aktiv den Abbau von Wasserschadstoffen und können sowohl unter sichtbarem Licht als auch unter ultraviolettem Licht arbeiten“, verdeutlicht Dr. Hong.
