16.02.2021 - Uppsala University

Nachhaltigere Erzeugung von Wasserstoff mit Komposit-"Polymer Dots"

Organische Photokatalysatoren in Nanogröße sind sowohl umweltfreundlich als auch kostengünstig

Wasserstoff für die energetische Nutzung kann auf umweltfreundliche Weise aus Wasser und Sonnenlicht gewonnen werden, indem photokatalytische Komposit-Polymer-Nanopartikel verwendet werden, die von Forschern der Universität Uppsala entwickelt wurden. In Labortests zeigten diese "Polymer Dots" sowohl eine vielversprechende Leistung als auch Stabilität.

Wie wir den zukünftigen Bedarf an nachhaltiger Energie decken sollen, ist eine vieldiskutierte Frage. Ein gangbarer Weg ist Wasserstoff, der aus erneuerbaren Ressourcen hergestellt werden kann: Wasser und Sonnenenergie. Doch der Prozess erfordert so genannte Photokatalysatoren. Traditionell werden diese aus metallbasierten Materialien hergestellt, die oft giftig sind. Stattdessen arbeitet eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Haining Tian am Ångström-Labor der Universität Uppsala an der Entwicklung von organischen Photokatalysatoren in Nanogröße - "Polymer Dots" -, die sowohl umweltfreundlich als auch kostengünstig sein sollen.

Da Polymer Dots (Pdots) so winzig sind, verteilen sie sich gleichmäßig im Wasser. Im Vergleich zu herkömmlichen Photokatalysatoren ergibt sich dadurch eine größere Reaktionsfläche, so dass mehr Licht in Form von Wasserstoffgas gespeichert werden kann. Die Forschergruppe hat nun einen Pdot entwickelt, der drei Komponenten enthält. In Tests hat das Partikel eine sehr gute katalytische Leistung und Stabilität gezeigt.

"Mehrere Komponenten zu kombinieren, die Licht bei unterschiedlichen Wellenlängen absorbieren, ist der einfachste Weg, ein System zu schaffen, in dem alle sichtbaren Oberflächen Licht einfangen. Aber diese Komponenten dazu zu bringen, in einem photokatalytischen System gut zusammenzuarbeiten, ist eine Herausforderung", sagt Haining Tian, außerordentlicher Professor (Dozent) für physikalische Chemie an der Universität Uppsala.

Um zu untersuchen, wie gut die verschiedenen Komponenten zusammenarbeiten, setzten Tian und seine Kollegen spektroskopische Techniken ein, bei denen der Pdot eine bestimmte Zeit lang dem Licht ausgesetzt wurde. So konnten sie verfolgen, wie photochemische Zwischenprodukte entstehen und unter Beleuchtung wieder verschwinden.

"Es ist aufregend zu sehen, dass sowohl der ultraschnelle Energietransfer als auch der Elektronentransfer in einem Partikel stattfinden, und dass dies dem System hilft, das Licht zu nutzen und die Ladung für den katalytischen Prozess zu trennen", sagt der Hauptautor der Studie, Aijie Liu, ein Postdoktorand am Department of Chemistry - Ångström Laboratory.

Den Forschern ist es gelungen, das System aus Dreikomponenten-Polymerpunkten so zu optimieren, dass es die Umwandlung von Sonnenenergie in Wasserstoff mit einem Wirkungsgrad von 7 % bei 600 Nanometern (nm) katalysiert. Das ist deutlich besser als die 0,3 % bei 600 nm, die die Gruppe erreichte, als sie mit Pdots arbeitete, die nur aus einer Komponente bestanden. Ein Problem war bisher, dass sich die Photokatalysatoren vorzeitig abbauen. Nun konnten die Forscher auch nach 120 Stunden Testzeit keinen deutlichen Abbau feststellen.

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