Wasserspaltung mit oberflächenmodifizierten Farbstoff-Niobat-Nanoblättern: Die Oberflächenmodifikation mit einem Isolator und einem anionischen Polymer verbessert die Wasserspaltungsaktivität um nahezu das 100-fache.

Bild: Tokyo Institute of Technology / Kazuhiko Maeda

Saubere Wasserstoffherstellung Effizienteste solare Wasserspaltung

06.09.2022

Forscher der Tokyo Tech haben erstmals einen farbstoffsensibilisierten Photokatalysator optimiert, der die effizienteste solare Wasserspaltungsaktivität ermöglicht, die bisher (für ähnliche Katalysatoren) gemessen wurde. Ihr oberflächenmodifizierter, farbstoffsensibilisierter Nanoblatt-Katalysator weist ein immenses Potenzial auf, da er unerwünschte Rückelektronenübertragung unterdrücken und die Wasserspaltungsaktivität um das Hundertfache steigern kann.

Eine der einfachsten Möglichkeiten, Wassermoleküle in Wasserstoff zu spalten, ist der Einsatz von Photokatalysatoren. Diese Materialien, bei denen es sich um Halbleiter handelt, die Licht absorbieren und gleichzeitig Wasserspaltungsreaktionen durchführen können, bieten einen einfachen Ansatz für die Massenproduktion von Wasserstoff.

Ladungsrekombination blockieren

Halbleiter können für die Wasserspaltungsreaktion ein Elektronen-Loch-Paar erzeugen; da die Ladungsträger jedoch zur Rekombination neigen, wurde ein photokatalytisches System nach dem „Z-Schema“ entwickelt, das zwei Halbleitermaterialien und einen Elektronenvermittler umfasst, um dies zu unterdrücken.

Bei diesem Aufbau nimmt der Elektronenvermittler, bei dem es sich in der Regel um ein reversibles Elektronenakzeptor/Donor-Paar (wie I3-/I-) handelt, Elektronen von einem der Photokatalysatoren auf und gibt sie an den anderen ab. Dadurch werden die Ladungsträger zwischen den Halbleitern getrennt. Obwohl die Ladungsrekombination innerhalb des Halbleiters ausgeschaltet wird, konkurriert die elektronenaufnehmende Spezies (I3-) mit dem Wasserstoff-Photokatalysator um Elektronen, was zu einer schlechten Umwandlungseffizienz von Sonnenenergie in Wasserstoff führt.

Verbesserung der solaren Wasserspaltung

Um die Wasserstoffproduktion zu verbessern, hat ein internationales Forscherteam, zu dem auch Specially Appointed Assistant Professor Shunta Nishioka und Professor Kazuhiko Maeda vom Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) gehören, an Möglichkeiten gearbeitet, den unbeabsichtigten Elektronentransfer zu verhindern. Bei Experimenten mit farbstoffsensibilisierten Ruthenium-(Ru)-Niobat-Photokatalysatoren (Ru/Pt/HCa2Nb3O10) stellten die Forscher fest, dass die Wasserstoffproduktion bei niedrigen I3-Konzentrationen deutlich zunimmt.

Diese Erkenntnisse veranlassten sie, ein effizientes System zur Wasserspaltung zu entwickeln, das aus einem Photokatalysator für die Sauerstoffentwicklung und einer modifizierten farbstoffsensibilisierten Ru-Niobat-Nanobeschichtung besteht, die als besserer Photokatalysator für die Wasserstoffentwicklung fungiert. „Wir haben die Effizienz eines Z-Schema-Gesamtsystems zur Wasserspaltung erfolgreich verbessert, indem wir einen oberflächenmodifizierten Farbstoff-sensibilisierten Nanoblatt-Photokatalysator verwendet haben“, sagt Maeda.

Um die I3-Konzentration im Reaktionssystem niedrig zu halten, wird ein PtOx/H-Cs-WO3-Photokatalysator als Sauerstoffentwicklungskatalysator verwendet. Gleichzeitig werden Al2O3 und Poly(styrolsulfonat) (PSS) hinzugefügt, um den Rücktransfer von Elektronen vom Halbleiter auf den oxidierten Ru-Komplex beziehungsweise das I3--Ion zu unterdrücken. Durch dieses Design können mehr Elektronen an der Wasserstoffentwicklungsreaktion teilnehmen, was zum bisher effizientesten Z-Schema-Wasserspaltungssystem führt (Abbildung 1). „Die Oberflächenmodifikation des Farbstoff-sensibilisierten Nanoblatt-Photokatalysators verbesserte die solare Wasserspaltungsaktivität um fast das 100-fache und machte sie vergleichbar mit konventionellen Photokatalysatorsystemen auf Halbleiterbasis", sagt Maeda.

Da der Rückelektronentransfer unterdrückt wurde, konnte der entwickelte Photokatalysator die Wasserstoffproduktion auch bei niedrigen Lichtstärken aufrechterhalten, was ihm einen Vorteil gegenüber anderen Photokatalysatoren verschafft, die hohe Lichtintensitäten benötigen. Durch die Minimierung der Auswirkungen des Rückelektronentransfers haben die Forscher nicht nur einen neuen Maßstab für farbstoffsensibilisierte Photokatalysatoren für die Wasserspaltung nach dem Z-Schema gesetzt, sondern auch den Rahmen für die Verbesserung anderer farbstoffsensibilisierter Systeme geschaffen, die für andere wichtige Reaktionen wie die CO2-Reduktion verwendet werden.

Bildergalerie

  • Abbildung 1: Das entwickelte Z-Schema-Wasserspaltungssystem: Der Sauerstoffentwicklungskatalysator reduziert effizient die Konzentration der I3-Ionen und Änderungen am Wasserstoffentwicklungskatalysator verhindern Rückübertragungen von Elektronen (gepunktete rote Linien) und geben der Elektronenübertragung zur Erzeugung von Wasserstoff Vorrang (durchgezogene schwarze Linien).

    Bild: Tokyo Institute of Technology

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