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Ein neuer Nanokatalysator zur Gewinnung von Wasserstoff

19.10.2018

Allen Dressen

Die Chemiker überwachten den Einfluss eines Ruthenium-Nanokatalysators auf Titandioxidbasis auf die Emission von Wasserstoff aus einem Methanol-Wasser-Gemisch.

Ein Chemiker der RUDN war der erste, der mit Katalysatoren mit Ruthenium-Nanopartikeln Wasserstoff unter dem Einfluss von sichtbarem Licht und UV-Strahlung gewann. In Zukunft können solche Katalysatoren für die großtechnische Herstellung von Wasserstoffkraftstoff unter dem Einfluss von Sonnenlicht eingesetzt werden.

Photochemische Reaktionen sind eine der umweltfreundlichsten Möglichkeiten, "Öko-Kraftstoff" herzustellen. Sie verbrauchen nicht viel Energie für die Erwärmung der Rohstoffe oder die Unterstützung von hohen Drücken. Um die Geschwindigkeit der Reaktion aufrechtzuerhalten, benötigt man nur Licht und Photokatalysatoren. Photokatalysatoren auf Basis von Platin, Gold und Palladium sind hocheffizient bei photochemischen Reaktionen wie der Wasserstoffgewinnung aus Biomasse-Derivaten wie Alkoholen. Diese Metalle sind jedoch teuer, deshalb sind die Wissenschaftler auf der Suche nach billigeren Photokatalysatoren.

Gemeinsam mit ihren spanischen Kollegen untersuchten die RUDN-Chemiker die photokatalytische Aktivität von mit Rutheniumpartikeln angereichertem Titandioxid. Es war das erste Mal, dass sie zur Gewinnung von Wasserstoff verwendet wurden. Die Chemiker überwachten den Einfluss eines Ruthenium-Nanokatalysators auf Titandioxidbasis auf die Emission von Wasserstoff aus einem Methanol-Wasser-Gemisch. Das Team untersuchte vier Katalysatoren (mit 1%, 2%, 3% und 5% Rutheniumgehalt), und jeder von ihnen wurde in zwei Arten von Reaktionen getestet - in Anwesenheit von sichtbarem Licht und UV-Strahlung. Zuvor wurden die Systeme aus Titandioxid und Ruthenium nur selten verwendet, daher war es wichtig, ihre Zusammensetzung und optischen Eigenschaften, einschließlich der Quanteneffizienz, zu charakterisieren. Sie gibt die Lichtempfindlichkeit eines Materials an und wird als Verhältnis der Gesamtzahl der Photonen berechnet, die die Bildung freier Elektronen in einem Material verursachen, und der Gesamtzahl der absorbierten Photonen. Dies ist der wichtigste Parameter, um die photokatalytische Aktivität von Substanzen zu vergleichen.

Experimente haben gezeigt, dass die Aktivität von rutheniumhaltigen Photokatalysatoren unter UV-Strahlung mit Platin- und Palladiumanaloga vergleichbar ist. Die Quanteneffizienz von Verbindungen auf Platin- oder Palladiumbasis, die auf der Grundlage anderer Studien berechnet wurden, beträgt 1,9% bis 5,1%, und die Ergebnisse von Ruthenium-Photokatalysatoren bleiben in diesem Bereich. Der beste Wert (3,1%) wurde für das System mit 3% Rutheniumgehalt berechnet. In Anbetracht der Billigkeit von Rutheniumkatalysatoren sind sie daher vielversprechend für den industriellen Einsatz. Die Aktivität von Rutheniumkatalysatoren unter sichtbarem Licht war recht gering - die Quanteneffizienz lag bei nicht mehr als 0,6%, aber die Autoren erwarten, dass sie unter Sonnenlicht auf bis zu 1,1% steigen wird. Die Wissenschaftler haben bereits damit begonnen, diese Hypothese zu überprüfen.

"Unsere Katalysatoren auf der Basis von Titandioxid und Ruthenium schienen universelle Systeme zu sein und halfen uns, Wasserstoff in ausreichenden Mengen sowohl unter dem Einfluss von UV-Licht als auch von sichtbarem Licht zu gewinnen", erklärt Raphael Luke, Direktor des Zentrums für molekulares Design und Synthese innovativer Verbindungen für die Medizin und Gastwissenschaftler bei RUDN. "Nachdem wir die Reaktion zwischen Licht und Substanz modelliert und die Quanteneffizienz aller unserer Proben berechnet hatten, verstanden wir, dass die Schlüsselrolle in der Aktivität des Katalysators durch die Wechselwirkung zwischen Ruthenium- und Titandioxidpartikeln gespielt wurde, insbesondere durch die Konzentration der Rutheniumpartikel und möglicherweise ihrer Verbindungen mit Sauerstoff auf der Oberfläche des Materials. Der genaue Mechanismus dieses Phänomens ist noch nicht bekannt. Wir setzen unsere Studien fort und experimentieren derzeit in Spanien und Russland mit der Gewinnung von Wasserstoff unter Sonneneinstrahlung."

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