Integration von Nanomaterial mit lichtabsorbierendem Molekül ermöglicht Wasserstoffproduktion aus Wasser und Sonne

In Anbetracht der Erschöpfung fossiler Brennstoffe und der Umweltprobleme, denen sich unser Planet aufgrund ihrer Verbrennung gegenübersieht, ist die Entwicklung von Technologien zur sauberen Energieerzeugung ein Thema von weltweitem Interesse. Unter den verschiedenen vorgeschlagenen Methoden zur Erzeugung sauberer Energie ist die photokatalytische Wasserspaltung sehr vielversprechend. Bei dieser Methode wird die Sonnenenergie genutzt, um Wassermoleküle (H2O) zu spalten und Dihydrogen (H2) zu gewinnen. Das H2 kann dann als kohlenstofffreier Brennstoff oder als Rohstoff für die Herstellung vieler wichtiger Chemikalien verwendet werden.

Jetzt hat ein Forscherteam unter der Leitung von Kazuhiko Maeda an der Tokyo Tech einen neuen Photokatalysator entwickelt, der aus nanoskaligen Metalloxidschichten und einem Ruthenium-Farbstoffmolekül besteht und nach einem ähnlichen Mechanismus wie farbstoffsensibilisierte Solarzellen funktioniert. Während Metalloxide, die photokatalytisch aktiv sind, um Wasser insgesamt in H2 und O2 aufzuspalten, breite Bandlücken aufweisen, können Farbstoffoxide sichtbares Licht, den Hauptbestandteil des Sonnenlichts, nutzen (Abbildung 1). Der neue Photokatalysator ist in der Lage, H2 aus Wasser mit einer Umsatzfrequenz von 1960 pro Stunde und einer externen Quantenausbeute von 2,4 % zu erzeugen.

Diese Ergebnisse sind die höchsten, die für farbstoffsensibilisierte Photokatalysatoren unter sichtbarem Licht aufgezeichnet wurden, und bringen Maedas Team dem Ziel der künstlichen Photosynthese einen Schritt näher – der Nachahmung des natürlichen Prozesses der Nutzung von Wasser und Sonnenlicht zur nachhaltigen Energieerzeugung.

Das neue Material, über das im Journal of the American Chemical Society berichtet wird, besteht aus Kalziumniobat-Nanoblättern (HCa2Nb3O10) mit großer Oberfläche, in die Platin (Pt)-Nanocluster als H2-entwickelnde Stellen eingelagert sind. Die mit Platin modifizierten Nanoblätter funktionieren jedoch nicht allein, da sie das Sonnenlicht nicht effizient absorbieren. Daher wird ein Ruthenium-Farbstoffmolekül, das sichtbares Licht absorbiert, mit dem Nanoblatt kombiniert, was eine solargesteuerte H2-Entwicklung ermöglicht (Abbildung 2).

Was das Material so effizient macht, ist die Verwendung von Nanoblättern, die durch chemische Exfoliation von lamellarem HCa2Nb3O10 gewonnen werden können. Die große Oberfläche und die strukturelle Flexibilität der Nanoblätter maximieren die Farbstoffbeladung und die Dichte der H2-Entstehungsstellen, was wiederum die H2-Entstehungseffizienz verbessert. Um die Leistung zu optimieren, modifizierte das Team von Maeda die Nanoblätter außerdem mit amorphem Aluminiumoxid, das eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Elektronentransfereffizienz spielt. „Die Modifikation der Nanoblätter mit Aluminiumoxid fördert die Farbstoffregeneration während der Reaktion, ohne die Elektroneninjektion vom Farbstoff im angeregten Zustand in das Nanoblatt zu behindern – der wichtigste Schritt bei der farbstoffsensibilisierten H2-Evolution“, sagt Maeda.

„Bis vor kurzem galt es als sehr schwierig, die H2-Evolution durch Wasserspaltung unter sichtbarem Licht mit einem farbstoffsensibilisierten Photokatalysator mit hoher Effizienz zu erreichen“, erklärt Maeda. „Unser neues Ergebnis zeigt deutlich, dass dies mit einem sorgfältig entwickelten Molekül-Nanomaterial-Hybrid tatsächlich möglich ist.“

Weitere Forschungsarbeiten müssen noch durchgeführt werden, da das Design des hybriden Photokatalysators weiter optimiert werden muss, um die Effizienz und die langfristige Haltbarkeit zu verbessern. Die photokatalytische Wasserspaltung kann ein entscheidendes Mittel sein, um den Energiebedarf der Gesellschaft zu decken, ohne die Umwelt weiter zu schädigen, und Studien wie diese sind wichtige Schritte auf dem Weg zu einer grüneren Zukunft.