14.06.2022 - King Abdullah University of Science and Technology (KAUST)

Organische Wasserspalter erhalten einen Boost

Nanopartikel-Photokatalysatoren können Wasserstoff aus Wasser effizienter erzeugen als ihre anorganischen Standard-Halbleiter-Pendants

Photokatalysatoren auf der Grundlage organischer Halbleiter, die von einem Team unter Leitung der KAUST entwickelt wurden, könnten die Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser mit Hilfe von Sonnenlicht erleichtern.

Sonnenlicht ist die ergiebigste Quelle für erneuerbare Energie, aber da es nicht in der Lage ist, über einen längeren Zeitraum hinweg gleichbleibende Energiemengen zu erzeugen, kann es den Energiebedarf nicht auf Abruf decken. Eine vielversprechende Option ist die Speicherung von Sonnenenergie in Form von sauberem Wasserstoff, der aus Wasser durch die so genannte Wasserstoff-Evolutionsreaktion in Gegenwart eines auf Licht reagierenden Katalysators gewonnen wird.

Die meisten Photokatalysatoren für die Wasserstoffentwicklung bestehen aus anorganischen Halbleitern, wie Titandioxid, die fast ausschließlich ultraviolettes Licht absorbieren. Da ultraviolettes Licht jedoch weniger als fünf Prozent des Sonnenspektrums ausmacht, sind die resultierenden Photokatalysatoren für den kommerziellen Einsatz nicht effizient genug.

Ein internationales Team unter der Leitung von Iain McCulloch und Postdoc Jan Kosco konnte Photokatalysatoren auf der Basis organischer Halbleiter entwickeln, weil sie die Bandlücken der Halbleiter - die den Absorptionswellenlängenbereich definieren - so einstellen konnten, dass sie sichtbares Licht absorbieren.

"Je mehr Licht ein Photokatalysator absorbiert, desto effizienter kann er Sonnenenergie in Wasserstoff umwandeln", erklärt Kosco. "Daher ist es wichtig, Photokatalysatoren zu entwickeln, die in einem breiten Bereich von ultravioletten, sichtbaren und infraroten Wellenlängen aktiv sind, um die Lichtabsorption zu maximieren.

Bei Lichteinwirkung erzeugen Photokatalysatoren auf Halbleiterbasis Paare von Elektronen und positiv geladenen Löchern, so genannte Exzitonen, die in freie Ladungen dissoziieren, die dann zur Oberfläche des Photokatalysators wandern und die Wasserstoffentwicklung vorantreiben können. In typischen organischen Einkomponenten-Halbleitern sind die Exzitonen jedoch fest gebunden, was die Ladungstrennung und die photokatalytische Effizienz einschränkt.

Die Forscher kombinierten Elektronendonator- und -akzeptor-Halbleitermaterialien zu Nanopartikeln, den so genannten Heterojunction-Photokatalysatoren, deren Gesamtkonfiguration der Bandlücke die Dissoziation von Exzitonen an der Halbleitergrenzfläche fördert.

"Dies ist analog zum Bulk-Heteroübergang in organischen Solarzellen", sagt Kosco. "Wir haben daher in diesen Nanopartikeln mehr Ladungen erzeugt als in solchen, die aus einzelnen Halbleitern bestehen, was die Wasserstoffproduktion verbesserte.

Unerwarteterweise führte der Heteroübergang zu extrem langlebigen photogenerierten Ladungen in den Nanopartikeln.

"Normalerweise rekombinieren Ladungen im Mikrosekundenbereich, aber wir haben in unseren Nanopartikeln sogar einige Sekunden nach der Photoanregung Ladungen beobachtet, was für photoerzeugte Ladungen in organischen Halbleitern außergewöhnlich lang ist", sagt Kosco. Dies ist entscheidend für die Leistung des Katalysators, da die Ladungen so mehr Zeit haben, an den relativ langsamen Redoxreaktionen an der Oberfläche der Nanopartikel teilzunehmen", fügt er hinzu.

Das Team erforscht nun Möglichkeiten, die neuen Photokatalysatoren in Z-Schemata für die Wasserspaltung einzusetzen, bei denen Photokatalysatoren für die Wasserstoff- und Sauerstoffentwicklung gekoppelt werden, um die Produktion von Wasserstoff und Sauerstoff gleichzeitig anzutreiben. Außerdem entwickeln sie organische Halbleiter-Photokatalysatoren für die Sauerstoffentwicklung.

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