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

Mit Sonnenlicht können PCN-Nanolagen Wasser aufspalten.

Mit Sonnenlicht können PCN-Nanolagen Wasser aufspalten. © Nannan Meng /Tianjin University

PCN lässt sich durch Wärmebehandlung in einzelne Nanolagen mit großen Poren trennen. In diese Poren konnten die Chemiker unetrschiedliche Molekülgruppen einlagern.

PCN lässt sich durch Wärmebehandlung in einzelne Nanolagen mit großen Poren trennen. In diese Poren konnten die Chemiker unetrschiedliche Molekülgruppen einlagern. © Nannan Meng /Tianjin University

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

arö

Das könnte Sie auch interessieren

  • Stabilität von Perowskit-Solarzellen erreicht den nächsten Meilenstein
    Science Highlight
    27.01.2023
    Stabilität von Perowskit-Solarzellen erreicht den nächsten Meilenstein
    Perowskit-Halbleiter versprechen hocheffiziente und preisgünstige Solarzellen. Allerdings reagiert das halborganische Material sehr empfindlich auf Temperaturunterschiede, was im normalen Außeneinsatz rasch zu Ermüdungsschäden führen kann. Gibt man jedoch eine dipolare Polymerverbindung zur Vorläuferlösung des Perowskits hinzu, verbessert sich die Stabilität enorm. Dies zeigt nun ein internationales Team unter der Leitung von Antonio Abate, HZB, im Fachjournal Science. Die so hergestellten Solarzellen erreichen Wirkungsgrade von deutlich über 24 Prozent, die selbst bei dramatischen Temperaturschwankungen zwischen -60 und +80 Grad Celsius über hundert Zyklen kaum sinken. Das entspricht etwa einem Jahr im Außeneinsatz.

  • HZB-Physiker folgt Ruf nach Südkorea
    Nachricht
    25.01.2023
    HZB-Physiker folgt Ruf nach Südkorea
    Seit 2016 hat der Beschleunigerphysiker Ji-Gwang Hwang am HZB in der Abteilung Speicherring- und Strahlphysik geforscht. In mehreren Projekten hat er wichtige Beiträge zur Strahldiagnostik geleistet. Nun kehrt er in seine Heimat Südkorea zurück, als Professor für Physik an der Gangneung-Wonju National University.
  • Neue Mikroskopiemethode liefert Echtzeitvideos aus dem Mikrokosmos
    Science Highlight
    18.01.2023
    Neue Mikroskopiemethode liefert Echtzeitvideos aus dem Mikrokosmos
    Ein Wissenschaftsteam unter Leitung von Forschenden des Max-Born-Instituts in Berlin, des Helmholtz-Zentrums Berlin, des Brookhaven National Laboratory (USA) und des Massachusetts Institute of Technology (USA) hat eine neue Methode entwickelt, um mit starken Röntgenquellen Videos von Fluktuationen in Materialien auf der Nanoskala aufzunehmen. Die Methode ist in der Lage, scharfe, hochauflösende Bilder zu machen, ohne das Material durch zu starke Belichtung zu beeinträchtigen. Dafür entwickelten die Wissenschaftler*innen einen Algorithmus, der in unterbelichteten Aufnahmen Muster erkennen kann. Im Fachjournal Nature beschreiben sie die Methode des Coherent Correlation Imaging (CCI) und stellen Ergebnisse für Proben aus dünnen magnetischen Schichten vor.