Titan-Booster für Photoanoden

Preisgünstige, häufig in der Erdkruste vorkommende Metalle sind vielversprechende Photo­elektro­katalysatoren für die künstliche Photo­synthese. Ein chinesisches Forscherteam berichtet jetzt, dass eine dünne Schicht aus Titandioxid unter Nano­stäbchen aus Hämatit als Photo­anode die Leistungs­fähigkeit dieser Elektrode erheblich steigert. Zwei unterschiedliche Effekte seien dafür verantwortlich. Mit seiner Kombination aus Nanostruktur und chemischer Dotierung könnte dieser Elektroden­aufbau für die Verbesserung von „grünen” photo­katalytischen Systemen modellhaft sein.

Ist ein Katalysator vorhanden, kann Sonnenlicht die Oxidation von Wasser in Sauerstoff und die Freisetzung von Elektronen zur Strom­erzeugung fördern: ein Prozess, der auch künstliche Photo­synthese genannt wird. Ein gut zugängliches und preisgünstiges Katalysator­material ist Eisenoxid in Form von Hämatit. Es hat allerdings den Nachteil, dass die bei der chemischen Reaktion freigesetzten Elektronen leicht wieder eingefangen werden und damit für den Stromfluss verloren sind. Als Lösung führten Jinlong Gong von der Tianjin-Universität in China eine nanometer­dicke Passivierungs­schicht aus Titandioxid ein. Diese Maßnahme verhinderte nicht nur, dass zwischen der Hämatit-Elektrode und dem Substrat Ladung durch Neutralisation verloren ging, sondern versorgte auch das Eisenoxid mit einer Dotierungsquelle. Die Dotierung mit Titanionen verstärkt die Ladungs­träger­dichte, was für photo­elektro­chemische Anwendungen von großem Vorteil ist.

Die Titandioxid-Zwischenschicht erhöht die Ladungsträgerdichte der Photoanode. (Bild: Luo et al. / Wiley-VCH)

Hämatit kommt zwar häufig vor als rotes Eisenerz und hat große Vorzüge wie Photo­stabilität und eine geeignete Energie­struktur. Wissenschaftler haben aber nach wie vor mit der trägen Kinetik und schlechten Leitfähigkeit zu kämpfen. Eine Lösung bietet der Aufbau in Nano­strukturen. Man lässt Hämatit auf einem leitfähigen Glassubstrat als Reihen von Nanostäbchen wachsen. Diese Nanostäbchen erhalten in einem weiteren Präparations­schritt Ästchen, bis sie aussehen wie kleine Büsche. Durch diese dentritische Struktur wird die Oberfläche und somit die Kontaktfläche für die Wasser­oxidation stark vergrößert. Das Problem der Ladungs­neutralisation durch Rekombination, das besonders an der Hämatit-Substrat-Grenzfläche auftritt, ist damit aber nicht gelöst.

Daher ließen Gong und seine Kollegen dentritische Hämatit-Nanostäbchen auf einer Zwischenschicht aus Titandioxid aufwachsen, das selbst ein photoaktives Material ist. Ist die Beschichtung dünn genug, kann sie sowohl die Ladungs­rekombination verhindern als auch Leitfähigkeit vermitteln. Aber das war nicht ihr einziger Zweck. „Die Titan­dioxid-Zwischen­schicht sollte als Quelle für Titan­kationen dienen, um das Hämatit zu dotieren”, erklärten die Autoren. Durch die Dotierung mit positiven Extra­ladungen sollte die Dichte an Ladungs­trägern im Photo­katalysator und somit die elektrische Leitfähigkeit steigen.

Beide Effekte, Passivierung und Dotierung führten tatsächlich zu einem mehr als viermal höheren Photo­strom unter standardisierten Bedingungen. Zusammen mit einem Co-Katalysator aus Eisen­hydroxid ließ sich die Dichte des Photo­stroms noch weiter steigern, auf das mehr als Fünffache der Stromdichte des undotierten Systems. Mit der Kombination aus preisgünstigen Materialien, wenigen Herstellungs­stufen und einer verbesserten elektro­chemischen Leistung bietet dieses Design einen beispiel­haften Ansatz für eine grünere künstliche Photosynthese. (Quelle: Angew. Chem. / pro-physik.de)

Referenz: Z. Luo et al.: Dendritic Hematite Nanoarray Photoanode Modified with a Conformal Titanium Dioxide Interlayer for Effective Charge Collection, Angew. Chem., online 23. August 2017; DOI: 10.1002/ange.201705772

Link: Gong Lab (J.-L. Gong), Tianjin University (TJU), China

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