Solarer Wasserstoff: Nanostrukturierung erhöht die Effizienz von Metall-freien Photokatalysatoren um den Faktor Elf

Polymere Kohlenstoffnitride entfalten unter Sonnenlicht eine katalytische Wirkung, die sich für die Produktion von solarem Wasserstoff nutzen lässt. Allerdings ist die Effizienz dieser günstigen, metallfreien Materialien sehr gering. Durch einen einfachen Prozess ist es nun gelungen, ihre katalytische Wirkung um den Faktor elf zu erhöhen. Dies zeigte nun ein Team an der Tianjin-University in China mit einer Gruppe am Helmholtz-Zentrum Berlin. Die Arbeit wurde im Journal Energy & Environmental Science veröffentlicht.

Eine der großen Herausforderungen der Energiewende ist es, auch dann Energie zu liefern, wenn die Sonne nicht scheint. Ein Lösungsansatz ist die Wasserstoffproduktion mithilfe von Sonnenlicht durch die Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Wasserstoff ist ein guter Energiespeicher und vielseitig verwendbar. Allerdings funktioniert die Wasserspaltung nicht einfach von selbst: Damit Licht Wassermoleküle zerlegen kann, sind sogenannte Katalysatoren nötig. Einer der besten Katalysatoren ist Platin, ein seltenes Edelmetall. Weltweit suchen Forschungsteams jedoch nach preisgünstigeren Alternativen. Nun hat ein Team um Prof. Bin Zhang von der Tianjin-University, Tianjin, China, gemeinsam mit dem Team um Dr. Tristan Petit vom HZB einen großen Fortschritt bei einer bekannten Klasse günstigen und metallfreien Photokatalysatoren erreicht.

Nano-Lagen mit Poren

Das chinesische Team ist auf die Synthese von polymeren Kohlenstoffnitriden (PCN) spezialisiert, die als gute Katalysatorkandidaten für die Wasserstoffproduktion gelten. Dabei bilden die PCN-Moleküle miteinander eine Struktur, die sich mit rohem Blätterteig vergleichen lässt: Eng aneinander gepackt liegen die Blätter aufeinander. Durch eine verhältnismäßig unkomplizierte Wärmebehandlung in zwei Schritten ist es den chinesischen Chemikern nun gelungen, die einzelnen „Blätter“ voneinander zu lösen – so wie ein Blätterteig im Ofen aufgeht in einzelne  Lagen. Nach der Wärmebehandlung erhielten die Chemiker Proben, die aus einzelnen Nano-Lagen mit großen Poren bestanden. In diese Poren konnten sie unterschiedliche Aminogruppen mit bestimmten Funktionalitäten einschleusen.

Einlagerung von Aminogruppen

Petit und sein Team untersuchten an BESSY II nun mit röntgenspektroskopischen Methoden eine Reihe dieser nanostrukturierten PCN-Proben. „Wir konnten bestimmen, welche Amino- und andere Molekülgruppen sich in den Poren eingelagert hatten“, erklärt Jian Ren, der auch einer der Erstautoren ist. Dabei konnten die Forscher auch analysieren, wie bestimmte Aminogruppen Elektronen geradezu an sich reißen, eine Eigenschaft, die bei der Aufspaltung von Wasser hilft.

Effizienz um Faktor Elf gesteigert

Tatsächlich zeigten diese Proben, kombiniert mit Nickel als Ko-Katalysator, eine Rekordeffizienz, die elfmal so hoch war wie bei normal strukturiertem PCN unter Sonnenlicht.

Photokatalyse an BESSY II analysiert

„Damit konnten wir belegen, dass PCN als Katalysator für die solare Wasserstoffproduktion interessant ist, denn die jetzt erreichten Effizienzen kommen an die von anorganischen Katalysatoren heran“, erklärt Petit, der als Freigeist-Fellow von der Volkswagenstiftung gefördert wird. „Außerdem zeigt diese Studie, wie sich mit Hilfe von  Röntgenspektroskopie im weichen Röntgenbereich an BESSY II entschlüsseln lässt, welche Prozesse tatsächlich in diesen Photokatalysatoren ablaufen.“

Veröffentlicht in Energy&Environmental Science (2018): Engineering oxygen-containing and amino groups into two-dimensional atomically-thin porous polymeric carbon nitrogen for enhanced photocatalytic hydrogen production; Nannan Meng,Jian Ren,Yang Liu,Yi Huang, Tristan Petit & Bin Zhang

Doi:  10.1039/C7EE03592F