23.07.2020 - Tomsk Polytechnic University

Neues Material kann Wasserstoff aus Salz- und verschmutztem Wasser erzeugen

2D-Material erzeugt effizient Wasserstoffmoleküle aus Süß-, Salz- und verunreinigtem Wasser durch Einwirkung von Sonnenlicht

Wissenschaftler der Tomsk Polytechnic University haben gemeinsam mit Teams der University of Chemistry and Technology, Prague und Jan Evangelista Purkyne University in Ústí nad Labem ein neues 2D-Material zur Herstellung von Wasserstoff entwickelt, der die Grundlage für alternative Energien bildet. Das Material erzeugt auf effiziente Weise Wasserstoffmoleküle aus Süß-, Salz- und verschmutztem Wasser, indem es dem Sonnenlicht ausgesetzt wird.

"Wasserstoff ist eine alternative Energiequelle. Daher kann die Entwicklung von Wasserstofftechnologien eine Lösung für die globale Energieherausforderung werden. Es gibt jedoch noch eine Reihe von Problemen zu lösen. Insbesondere suchen Wissenschaftler noch nach effizienten und umweltfreundlichen Methoden zur Herstellung von Wasserstoff. Eine der wichtigsten Methoden ist die Zersetzung von Wasser durch Einwirkung von Sonnenlicht. Es gibt sehr viel Wasser auf unserem Planeten, aber nur wenige Methoden, die sich für Salz- oder verschmutztes Wasser eignen. Darüber hinaus nutzen nur wenige das Infrarotspektrum, das 43% des gesamten Sonnenlichts ausmacht", bemerkt Olga Guselnikova, eine der Autorinnen und eine Forscherin der TPU Research School of Chemistry & Applied Biomedical Sciences.

Das entwickelte Material ist eine dreischichtige Struktur mit einer Dicke von 1 Mikrometer. Die untere Schicht ist eine dünne Goldschicht, die zweite besteht aus 10-Nanometer-Platin und die dritte aus einem Film aus metallorganischen Gerüsten aus Chromverbindungen und organischen Molekülen.

"Während der Experimente haben wir das Material gewässert und den Behälter versiegelt, um periodisch Gasproben zur Bestimmung der Wasserstoffmenge zu entnehmen. Infrarotlicht verursachte die Anregung der Plasmonenresonanz auf der Probenoberfläche. Heiße Elektronen, die auf dem Goldfilm erzeugt wurden, wurden auf die Platinschicht übertragen. Diese Elektronen leiteten die Reduktion der Protonen an der Grenzfläche mit der organischen Schicht ein. Wenn die Elektronen die katalytischen Zentren der metallorganischen Gerüste erreichen, wurden diese auch zur Reduktion der Protonen und zur Gewinnung von Wasserstoff verwendet", erklärt Olga.

Experimente haben gezeigt, dass aus 100 Quadratzentimetern des Materials 0,5 Liter Wasserstoff in einer Stunde erzeugt werden können. Das ist eine der höchsten Raten, die für 2D-Materialien aufgezeichnet wurden.

"In diesem Fall wirkte der metallorganische Rahmen auch als Filter. Er filterte Verunreinigungen und leitete bereits gereinigtes Wasser ohne Verunreinigungen an die Metallschicht weiter. Das ist sehr wichtig, denn obwohl es auf der Erde sehr viel Wasser gibt, ist sein Hauptvolumen entweder Salz oder verschmutztes Wasser. Dadurch sollten wir bereit sein, mit dieser Art von Wasser zu arbeiten", stellt sie fest.

In der Zukunft werden die Wissenschaftler das Material verbessern, um es sowohl für Infrarot- als auch für sichtbare Spektren effizient zu machen.

"Das Material zeigt bereits eine gewisse Absorption im sichtbaren Lichtspektrum, aber seine Effizienz ist etwas geringer als im Infrarotspektrum. Nach der Verbesserung wird es möglich sein, zu sagen, dass das Material mit 93% des spektralen Volumens des Sonnenlichts arbeitet", fügt Olga hinzu.

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