Ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Hyeon Taeghwan am Center for Nanoparticle Research innerhalb des Institute for Basic Science (IBS) in Seoul, Südkorea, hat eine neue photokatalytische Plattform für die Massenproduktion von Wasserstoff entwickelt.
Veröffentlicht in Natur Nanotechnologieführte die Studie der Gruppe zur photokatalytischen Plattform zur Entwicklung einer schwimmfähigen photokatalytischen Matrix, die eine effiziente Wasserstoffentwicklungsreaktion mit klaren Vorteilen gegenüber herkömmlichen Wasserstoffproduktionsplattformen wie Film- oder Plattentypen ermöglicht.
Die Bedeutung alternativer Energien hat in letzter Zeit aufgrund globaler Herausforderungen wie Umweltverschmutzung und Klimawandel zugenommen. Unter mehreren Kandidaten für alternative Energiequellen ist die durch Photokatalyse gewonnene Wasserstoffenergie von besonderem Interesse für ihre nachhaltige grüne Energieerzeugung.
Dementsprechend wurde viel geforscht und entwickelt, um die intrinsische Reaktionseffizienz von Photokatalysatoren zu verbessern. Die Forschung zum Formfaktor photokatalytischer Systeme, die für ihre praktische Anwendung und Kommerzialisierung entscheidend ist, wurde jedoch noch nicht aktiv erforscht.
Üblicherweise fixieren gegenwärtige Systeme Katalysatorpulver oder Nanopartikel auf verschiedenen Oberflächen, wie z. B. plattenförmigen, folienartigen und flachplattenartigen Plattformen, die unter Wasser getaucht werden. Sie stehen auch vor praktischen Problemen wie dem Auslaugen von Katalysatoren, schlechtem Massentransfer und Rückreaktionen. Sie erfordern auch zusätzliche Vorrichtungen zum Trennen und Sammeln des erzeugten Wasserstoffs von Wasser, was die Komplexität der Vorrichtung erhöht und die Kosten erhöht.
Das Team des Zentrums für Nanopartikelforschung innerhalb des IBS unter der Leitung von Prof. Hyeon entwarf eine neuartige photokatalytische Plattform, die auf dem Wasser schwimmt, um eine effiziente Wasserstoffproduktion zu ermöglichen. Diese neue Plattform hat eine zweischichtige Struktur, die aus einer oberen photokatalytischen Schicht und einer unteren Stützschicht besteht.
Beide Schichten bestehen aus einem porösen Strukturpolymer, das der Plattform eine hohe Oberflächenspannung verleiht. Darüber hinaus ist die Plattform in Form von Kryo-Aerogel hergestellt, einer festen Substanz, die innen mit Gas gefüllt ist und eine geringe Dichte aufweist. Dadurch kann dieses mit Photokatalysatoren eingebettete Elastomer-Hydrogel auf Wasser schwimmen.
Diese Plattform weist klare Vorteile in der photokatalytischen Wasserstoffentwicklungsreaktion auf: Erstens wird eine Lichtdämpfung durch Wasser verhindert, was zu einer effizienten Umwandlung von Sonnenenergie führt. Zweitens kann das Produkt, Wasserstoffgas, leicht in die Luft diffundiert werden, wodurch Umkehroxidationsreaktionen vermieden und eine hohe Reaktionsausbeute bewahrt werden. Drittens kann das Wasser den innerhalb der Elastomer-Hydrogel-Matrix befindlichen Katalysatoren aufgrund ihrer Porosität leicht zugeführt werden. Schließlich werden die Katalysatoren für einen langfristigen Betrieb ohne Auslaugungsprobleme stabil in der Matrix immobilisiert.
Die Forscher bewiesen experimentell die überlegene Wasserstoffentwicklungsleistung der schwimmfähigen Plattform im Vergleich zu der der herkömmlichen untergetauchten Plattform. Darüber hinaus wurde die Skalierbarkeit der Plattform, die für eine potenzielle Industrialisierung unerlässlich ist, auch unter natürlichem Sonnenlicht demonstriert. Es wurde bestätigt, dass etwa 80 ml Wasserstoff durch die schwimmfähige photokatalytische Plattform unter Verwendung von Einzelatom-Kupfer- und Titandioxid-Katalysatoren mit einer Fläche von 1 m 2 erzeugt werden können.
Selbst nach zweiwöchigem Betrieb in Meerwasser, das verschiedene Mikroorganismen und Schwimmstoffe enthielt, war die Wasserstoffentwicklungsleistung der Plattform nicht beeinträchtigt.
Prof. Kim erklärt: „Die vorgeschlagene Plattform kann sogar Wasserstoff aus Lösungen produzieren, die Haushaltsabfälle wie Polyethylenterephthalat-Flaschen auflösen. Folglich kann die Plattform eine Lösung für das Recycling von Abfällen sein, was zu einer umweltfreundlichen Gesellschaft beiträgt.“
Bemerkenswerterweise präsentiert diese Studie eine verallgemeinerte Plattform für eine effiziente Photokatalyse, die nicht nur auf die Wasserstoffproduktion beschränkt ist. Es ist möglich, die katalytische Komponente für verschiedene gewünschte Verwendungen zu ersetzen, ohne die Eigenschaften des schwimmfähigen Aerogelmaterials der Gesamtplattform zu verändern. Dies garantiert die breite Anwendbarkeit der Plattform auf andere photokatalytische Reaktionen, wie z. B. die Sauerstoffentwicklungsreaktion, die Wasserstoffperoxidproduktion und die Erzeugung verschiedener organischer Verbindungen.
„Diese Studie macht große Fortschritte auf dem Gebiet der Photokatalyse und demonstriert das Potenzial der Produktion von grünem Wasserstoff auf See mit erstklassiger Leistung. Die charakteristischen Materialeigenschaften, die hohe Leistung und die breite Anwendbarkeit im Bereich der Photokatalyse unserer Plattform werden zweifellos eine eröffnen neues Kapitel in der alternativen Energie“, sagt Prof. Hyeon.
Mehr Informationen:
Hyeon Taeghwan et al, Floatable photocatalytic hydrogel nanocomposites for large-scale solar hydrogen production, Natur Nanotechnologie (2023). DOI: 10.1038/s41565-023-01385-4