29.01.2019 - Soochow University

Leistungsstärker durch innige Verbindung

Aktiver Photokatalysator: 2D/2D-Heterostruktur aus schwarzem Phosphor und Bismuthwolframat

Eine gegenüber gängigen Materialien deutlich verbesserte photokatalytische Aktivität zeigt eine zweidimensionale Heterostruktur aus Nanolagen zweier Halbleiter: schwarzer Phosphor und Bismuthwolframat. Wie chinesische Wissenschaftler in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, kann so unter Bestrahlung mit sichtbarem Licht Wasserstoff durch Wasserspaltung erzeugt und Stickstoffmonoxid in Abgasen abgebaut werden.

Nicht nur Photosynthese betreibende Pflanzen, auch bestimmte Halbleitermaterialien sind in der Lage, unter Aufnahme von Lichtenergie chemische Reaktionen zu katalysieren. So eignet sich Bismuthwolframat (Bi2WO6) prinzipiell für den photokatalytischen Abbau von Stickstoffmonoxid NO und die Erzeugung von Wasserstoff. Bisherige Ergebnisse waren allerdings wenig zufriedenstellend. Ein Ansatz zur Steigerung der Leistungsfähigkeit besteht darin, Bismuthwolframat in Form zweidimensionaler Nanoschichten mit einer zweiten Nanoschicht eines anderen Halbleiters flächig zu einer sogenannten Heterostruktur zu verbinden.

Schwarzer Phosphor könnte ein geeigneter Partner für eine solche Heterostruktur sein, fand das Team von der Soochow University, Suzhou, und der Jiangsu University, Zhenjiang (China) um Dongyun Chen und Jianmei Lu. Auch dieses Material zeigt photokatalytische Eigenschaften, bisher allerdings noch mit sehr begrenzten Anwendungen.

Schwarzer Phosphor besteht aus Lagen gewellter Sechsringe, die sich zu einzelnen atomaren Schichten spalten lassen. Solche Nanolagen bestückten die Forscher gleichmäßig mit ca. 50 nm großen Bismuthwolframat-Schüppchen. In der einfach und effizient herstellbaren Heterostruktur kommt es zu einem synergetischen Effekt der beiden in sehr intensivem Kontakt befindlichen Halbleiter. Der schwarze Phosphor sorgt zudem für eine deutlich breitere Absorption des Sonnenlichtspektrums. Die Energieniveaus der Elektronen der beiden Materialien liegen sehr günstig zueinander. Daher können die durch das Licht erzeugten positiven und negativen Ladungen (Elektron-Loch-Paare) sehr effizient getrennt, innerhalb der Heterostruktur transportiert und auf Moleküle übertragen werden. Die Forscher schlagen einen Ladungsübertragungsmechanismus vor, der dem sogenannten Z-Schema der Photosynthese ähnelt.

Entsprechend zeigte sich der photokatalytische Abbau von NO an der Heterostruktur wesentlich effektiver als bei anderen Bismuth-basierten Materialien. Für die photokatalytische Wasserstofferzeugung wurde zusätzlich ein Platin-basierter Co-Katalyator aufgetragen. Unter Bestrahlung können Elektronen von der Heterostruktur auf Platinatome und von dort aus auf H+-Ionen des Wassers übertragen, die dann rasch zu Wasserstoff H2 abreagieren. Mit sichtbarem Licht konnte eine neunmal so starke Wasserstoffentwicklung wie bei reinem Bismuthwolframat erreicht werden.

Die Forscher konnten damit die Anwendungen für schwarzen Phosphor erweitern und seine mögliche Rolle auf den Gebieten der Behandlung von Abgasen und der erneuerbaren Energien untermauern.

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