Watersplitsing op zonne-energie is een veelbelovende manier om schone en opslagbare energie op te wekken. Er is nu aangetoond dat een nieuwe katalysator op basis van halfgeleider-nanodeeltjes alle reacties mogelijk maakt die nodig zijn voor 'kunstmatige fotosynthese'.

In het licht van de wereldwijde klimaatverandering, er is dringend behoefte aan het ontwikkelen van efficiënte manieren om stroom uit hernieuwbare energiebronnen te verkrijgen en op te slaan. De fotokatalytische splitsing van water in waterstofbrandstof en zuurstof biedt in dit verband een bijzonder aantrekkelijke benadering. Echter, efficiënte uitvoering van dit proces, die biologische fotosynthese nabootst, is technisch zeer uitdagend, omdat het een combinatie van processen betreft die met elkaar kunnen interfereren. Nutsvoorzieningen, LMU-fysici onder leiding van Dr. Jacek Stolarczyk en Professor Jochen Feldmann, in samenwerking met chemici van de Universiteit van Würzburg onder leiding van professor Frank Würthner, zijn er voor het eerst in geslaagd de volledige splitsing van water aan te tonen met behulp van een alles-in-één katalytisch systeem. Hun nieuwe studie verschijnt in het tijdschrift Natuur Energie .

Technische methoden voor de fotokatalytische splitsing van watermoleculen gebruiken synthetische componenten om de complexe processen na te bootsen die plaatsvinden tijdens natuurlijke fotosynthese. In dergelijke systemen, halfgeleider nanodeeltjes die lichtquanta (fotonen) absorberen kunnen, in principe, dienen als fotokatalysatoren. Absorptie van een foton genereert een negatief geladen deeltje (een elektron) en een positief geladen soort die bekend staat als een 'gat, " en de twee moeten ruimtelijk gescheiden zijn, zodat een watermolecuul door het elektron tot waterstof kan worden gereduceerd en door het gat kan worden geoxideerd om zuurstof te vormen. "Als men alleen waterstofgas uit water wil genereren, de gaten worden meestal snel verwijderd door opofferingschemische reagentia toe te voegen, " zegt Stolarczyk. "Maar om volledige watersplitsing te bereiken, de gaten moeten in het systeem worden vastgehouden om het langzame proces van wateroxidatie aan te drijven." Het probleem is dat de twee halfreacties tegelijkertijd op een enkel deeltje kunnen plaatsvinden - terwijl ervoor wordt gezorgd dat de tegengesteld geladen soorten niet recombineren. , veel halfgeleiders kunnen zelf worden geoxideerd, en daardoor vernietigd, door de positief geladen gaten.

Nanostaafjes met ruimtelijk gescheiden reactieplaatsen

"We hebben het probleem opgelost door nanostaafjes te gebruiken die zijn gemaakt van het halfgeleidende materiaal cadmiumsulfaat, en ruimtelijk de gebieden gescheiden waarop de oxidatie- en reductiereacties op deze nanokristallen plaatsvonden, " legt Stolarczyk uit. De onderzoekers versierden de uiteinden van de nanostaafjes met kleine deeltjes platina, die fungeren als acceptoren voor de elektronen die worden opgewekt door de lichtabsorptie. Zoals de LMU-groep eerder had aangetoond, deze configuratie verschaft een efficiënte fotokatalysator voor de reductie van water tot waterstof. De oxidatiereactie, anderzijds, vindt plaats aan de zijkanten van de nanostaaf. Hiertoe, , de LMU-onderzoekers bevestigden aan de zijoppervlakken een op ruthenium gebaseerde oxidatiekatalysator ontwikkeld door het team van Würthner. De verbinding was uitgerust met functionele groepen die het aan de nanostaaf verankerden. "Deze groepen zorgen voor een extreem snel transport van gaten naar de katalysator, die de efficiënte opwekking van zuurstof vergemakkelijkt en schade aan de nanostaafjes minimaliseert, " zegt Dr. Peter Frischmann, een van de initiatiefnemers van het project in Würzburg.

De studie werd uitgevoerd als onderdeel van het interdisciplinaire project "Solar Technologies Go Hybrid" (SolTech), die wordt gefinancierd door de deelstaat Beieren. "De missie van SolTech is het verkennen van innovatieve concepten voor de omzetting van zonne-energie in niet-fossiele brandstoffen, " zegt professor Jochen Feldmann, houder van de leerstoel fotonica en opto-elektronica aan de LMU. "De ontwikkeling van het nieuwe fotokatalytische systeem is een goed voorbeeld van hoe SolTech de expertise in verschillende disciplines en op verschillende locaties samenbrengt. Het project had niet kunnen slagen zonder de interdisciplinaire samenwerking tussen chemici en natuurkundigen van twee instellingen, " voegt Würthner toe, WHO, samen met Feldmann, in 2012 gestart met SolTech.