Een van de grote uitdagingen van de duurzame energietransitie is om ook bij afwezigheid van zonlicht energie te leveren. Waterstofproductie door water te splitsen met behulp van zonlicht zou een oplossing kunnen bieden. Waterstof is een goed energieopslagmedium, en kan op veel manieren worden gebruikt. Echter, katalysatoren zijn nodig om water te splitsen. Platina wordt vaak gebruikt, maar het is zeldzaam en duur. Onderzoekers zoeken daarom naar meer economische alternatieven. Nutsvoorzieningen, een team onder leiding van Dr. Tristan Petit van de HZB, samen met collega's onder leiding van Prof. Bin Zhang van de Tianjin University, Tianjin, China, heeft belangrijke vooruitgang geboekt met behulp van een bekende klasse van metaalvrije fotokatalysatoren.

Bin Zhang en zijn team zijn gespecialiseerd in de synthese van polymere koolstofnitrides (PCN) als katalysator voor de productie van waterstof. De PCN-moleculen vormen een structuur die te vergelijken is met dunne lagen filodeegdeeg - dicht opeengepakte vellen van dit materiaal worden samengepakt. De Chinese chemici zijn er nu in geslaagd om de afzonderlijke vellen van elkaar te scheiden door middel van een relatief eenvoudige tweestaps warmtebehandeling - net zoals bladerdeeg in de oven in afzonderlijke krokante lagen scheidt. De warmtebehandeling leverde monsters op bestaande uit individuele nanolagen met grote poriën die verschillende aminogroepen met specifieke functionaliteiten bevatten.

Petit en zijn team onderzochten een reeks van deze PCN-monsters bij BESSY II. "We waren in staat om te bepalen welke amino- en zuurstofgroepen in de poriën waren afgezet, " zegt promovendus Jian Ren, co-eerste auteur van de publicatie. De onderzoekers analyseerden hoe specifieke aminogroepen elektronen naar zich toe trekken, een bijzonder gunstige eigenschap voor het splitsen van water, en hoe nieuwe op zuurstof gebaseerde defecten werden gevormd.

In combinatie met nikkel als co-katalysator, die monsters van nanogestructureerde PCN vertoonden zelfs een recordbrekende efficiëntie, 11 keer dat van normaal PCN onder bestraling met zichtbaar licht.

"Dit toont aan dat PCN een interessante potentiële katalysator is voor de productie van zonne-naar-waterstof, het benaderen van de efficiëntie van anorganische katalysatoren, " zegt Petit, die een Volkswagen Foundation Freigeist Fellow is. "Verder, dit werk laat ook zien dat zachte röntgenspectroscopieën essentiële hulpmiddelen zijn om mogelijke katalytisch actieve sites op fotokatalysatoren te ontrafelen."