Photokatalysatorforschung deckt besseren Weg zur Produktion von grünem Wasserstoff auf

Forscher der Oregon State University haben ein Material entwickelt, das über eine bemerkenswerte Fähigkeit verfügt, Sonnenlicht und Wasser in saubere Energie umzuwandeln.

Eine von Kyriakos Stylianou vom OSU College of Science geleitete Zusammenarbeit hat einen Photokatalysator entwickelt, der die schnelle und hocheffiziente Produktion von Wasserstoff ermöglicht, der in Brennstoffzellen für Autos sowie bei der Herstellung vieler Chemikalien wie Ammoniak, bei der Metallveredelung und bei der Herstellung von Kunststoffen verwendet wird. Die Forschung wurde veröffentlicht in Angewandte Chemie.

Die Erkenntnisse stellten ein potenzielles neues Instrument zur Bekämpfung von Treibhausgasemissionen und Klimawandel dar, sagte Stylianou, dessen Forschung sich auf kristalline, poröse Materialien konzentriert, die als Metall-organische Gerüstverbindungen bekannt sind, meist abgekürzt als MOFs.

MOFs bestehen aus positiv geladenen Metallionen, die von organischen „Linker“-Molekülen umgeben sind. Sie haben nanogroße Poren und anpassbare Struktureigenschaften. Sie können mit einer Vielzahl von Komponenten gestaltet werden, die die Eigenschaften des MOF bestimmen.

In dieser Studie verwendeten die Forscher ein MOF, um eine Metalloxid-Heteroübergang – eine Kombination aus zwei Materialien mit komplementären Eigenschaften – abzuleiten und einen Katalysator herzustellen, der bei Sonneneinstrahlung Wasser schnell und effizient in Wasserstoff spaltet.

Die Heteroverbindung, die sie als RTTA bezeichnen, besteht aus MOF-abgeleitetem Rutheniumoxid und Titanoxid, das mit Schwefel und Stickstoff dotiert ist. Sie testeten mehrere RTTAs mit unterschiedlichen Mengen der Oxide und fanden einen klaren Gewinner.

„Unter den verschiedenen RTTA-Materialien zeigte RTTA-1 mit dem niedrigsten Rutheniumoxid-Gehalt die schnellste Wasserstoffproduktionsrate und eine hohe Quantenausbeute“, sagte Stylianou.

Er stellte fest, dass ein Gramm RTTA-1 in nur einer Stunde über 10.700 Mikromol Wasserstoff produzieren konnte. Dieser Prozess nutzte Photonen – Lichtteilchen – mit einer beeindruckenden Rate von 10 %, was bedeutet, dass von 100 Photonen, die auf RTTA-1 trafen, 10 zur Wasserstoffproduktion beitrugen.

„Die bemerkenswerte Aktivität von RTTA-1 beruht auf den synergistischen Effekten der Eigenschaften der Metalloxide und der Oberflächeneigenschaften des ursprünglichen MOF, die den Elektronentransfer verbessern“, sagte Stylianou. „Diese Studie unterstreicht das Potenzial von aus MOF gewonnenen Metalloxid-Heteroübergängen als Photokatalysatoren für die praktische Wasserstoffproduktion und trägt zur Entwicklung nachhaltiger und effizienter Energielösungen bei.“

Die Herstellung von Wasserstoff durch die Spaltung von Wasser in einem katalytischen Prozess ist sauberer als die konventionelle Methode zur Gewinnung von Wasserstoff aus Erdgas über einen Kohlendioxid erzeugenden Prozess namens Methan-Dampfreformierung.

Aktuelle katalytische Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff aus Wasser basieren auf Elektrokatalyse, also dem Durchleiten von Strom durch den Katalysator. Die Nachhaltigkeit der Elektrokatalyse hängt von der Nutzung erneuerbarer Energien ab, und um auf dem Markt wettbewerbsfähig zu sein, muss die Energie kostengünstig sein.

Derzeit kostet die Methan-Dampfreformierung zur Herstellung von Wasserstoff etwa 1,50 Dollar pro Kilogramm, verglichen mit etwa 5 Dollar pro Kilogramm für grünen Wasserstoff.

„Wasser ist eine reichlich vorhandene Wasserstoffquelle, und die Photokatalyse bietet eine Methode, die reichlich vorhandene Sonnenenergie der Erde für die Wasserstoffproduktion zu nutzen“, sagte Stylianou. „Rutheniumoxid ist nicht billig, aber die in unserem Photokatalysator verwendete Menge ist minimal. Für industrielle Anwendungen spielen die Kosten dieser kleinen Menge Rutheniumoxid keine Rolle, wenn ein Katalysator eine gute Stabilität und Reproduzierbarkeit aufweist.“