Was­ser­stoff aus Son­ne, Was­ser und Nano­kris­tal­len

TEM-Aufnahmen der CdS Nanostäbchen in einer 1 mM NiCl2 Lösung bei pH 12,5 als Funktion der Beleuchtungszeit (links) und HAADF-STEM-Bild der Ni-Nanopartikel, deponiert auf den CdS-Nanorods bei pH 12,5 nach 23 Stunden Belichtung. (Bild: Th. Simon et al. / NPG)

TEM-Aufnahmen der CdS Nanostäbchen in einer 1-mM-NiCl2-Lösung bei pH 12,5 als Funktion der Beleuchtungszeit (links) und HAADF-STEM-Bild der Ni-Nanopartikel, deponiert auf den CdS-Nanorods bei pH 12,5 nach 23 Stunden Belichtung (rechts; Bilder: Th. Simon et al. / NPG)

Bisher ist es noch nicht möglich, große solare Energie­mengen effizient zu speichern. Ein viel­ver­sprechender Ansatz ist die Photo­katalyse, in deren Verlauf Wasser durch Licht zu Wasser­stoff umgewandelt wird. Das Gas ist ein hervor­ragender Energie­speicher und sein Verbren­nungs­produkt ist wiede­rum Wasser und somit komplett frei von Treib­haus­gasen. Bei ihren Experimenten mit halb­leitenden Nano­kristallen ist es Physikern um  Jochen Feldmann (LMU München) mit Chemikern um Andrey Rogach (City University Hong Kong) gelungen, die Ausbeute an Wasser­stoff erheblich zu erhöhen. Hierbei setzten sie winzige Moleküle als „mole­kulare Shuttles“ ein, um den Ladungs­strom effizienter zu machen.

Das Prinzip der Photokatalyse erscheint auf den ersten Blick einfach. Ein Photon regt ein Elektron und ein Loch an, zum Beispiel in einem halb­lei­tenden Nano­kristall. Elektron und Loch müssen sich räumlich trennen, damit das Elektron aus Wasser Wasser­stoff und das Loch aus Wasser Sauer­stoff erzeugen oder von anderen Molekülen aufge­nommen werden kann. Sobald der halb­leitende Nanokristall mit kleinsten Metall­partikeln – häufig das kost­spielige Platin – dekoriert wird, erledigt das auf das Metall­partikel über­springende Elektron die Wasser­stoff­produktion problemlos. Auf Dauer gelingt den Elektronen dieses aber nur, wenn auch die positiv geladenen Löcher effizient vom Nano­kristall abgeführt werden und so eine Rekom­bination verhindert wird. Hier gab es bisher große Schwierig­keiten. Damit sich die Nano­kristalle in Wasser lösen, werden sie mit polaren Molekülen umgeben. Dieser isolie­rende „Liganden­wald“ hindert das Loch allerdings daran, zu dem entspre­chenden Fänger­molekül wie Wasser oder einem größeren anderen Molekül zu gelangen.

Die Wissenschaftler aus München und Hong Kong setzen dazu kleinste Moleküle ein, die den Liganden­wald durch­dringen, das Loch von der Oberfläche der Kristalle abholen und zu größeren Molekülen trans­portieren können. Passende kleine „Shuttles“ konnten die Forscher in einfacher Weise durch Erhöhung des pH-Werts der wässrigen Lösung in Form von Hydroxyl-Ionen bereit­stellen. Dieses führte zu einer drastisch erhöhten Wasser­stoff­produktion. „Ich war verblüfft, als ich bei erst­maliger Erhöhung des pH-Werts mit bloßem Auge Wasser­stoff­bläschen auf­steigen sah“, erzählt Thomas Simon, Dokto­rand am Lehrstuhl Feldmann, von seinen Expe­rimenten.

Es zeigten sich weitere Vorteile dieses neuen Systems: Zum einen ließ sich die Lang­zeit­stabi­lität ent­schei­dend erhöhen. Zum anderen wurde hier statt des kost­spieligen Platins erstmals das weitaus preis­wertere Nickel als Kataly­sator ein­gesetzt. „Die Entdeckung des neuen Mechanismus’ könnte zu ganz neuen Ansätzen in der photo­kata­lytischen Wasser­stoff­produk­tion führen“, meint der Leiter der Gruppe Photo­katalyse, Jacek Stolarczyk. (Quelle: LMU)

Referenz: Th. Simon et al.: Redox shuttle mechanism enhances photocatalytic ​H2 generation on ​Ni-decorated ​CdS nanorods, Nat. Mater., online 3. August 2014; DOI: 10.1038/nmat4049

Links: AG Energy Conversion (J. Stolarczyk), Lehrstuhl für Photonik und Optoelektronik (J. Feldmann), Dept. Physik und CeNS, Ludwig-Maximilians-Universtität München

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