Wissenschaftler suchen dringend nach sauberen Brennstoffquellen – wie etwa Wasserstoff –, um den Übergang zur CO2-Neutralität zu unterstützen. Einem Forscherteam der Tohoku-Universität, der Tokyo University of Science und der Mitsubishi Materials Corporation ist ein Durchbruch zur Verbesserung der Effizienz der photokatalytischen Reaktion gelungen, bei der Wasser in Wasserstoff gespalten wird.
„Wasserspaltende Photokatalysatoren können Wasserstoff (H2) nur aus Sonnenlicht und Wasser erzeugen“, erklärt Professor Yuichi Negishi, der leitende Forscher dieses Projekts (Universität Tohoku), „Allerdings ist der Prozess noch nicht ausreichend für praktische Anwendungen optimiert.“ Wenn wir die Aktivität verbessern können, kann Wasserstoff für die Verwirklichung einer Energiegesellschaft der nächsten Generation genutzt werden.“
Das Forschungsteam entwickelte eine neuartige Methode, bei der ultrafeine Rhodium (Rh)-Chrom (Cr)-Mischoxid-Cokatalysatoren (Rh2-xCrxO3) (der eigentliche Reaktionsort und eine Schlüsselkomponente, um die H2-Reformierung mit Sauerstoff zu verhindern, um wieder Wasser zu bilden) verwendet werden Partikelgröße von etwa 1 nm. Anschließend werden sie kristallflächenselektiv auf einen Photokatalysator geladen (der Sonnenlicht und Wasser nutzt, um Reaktionen zu beschleunigen).
Die Ergebnisse sind veröffentlicht im Zeitschrift der American Chemical Society.
Bisherige Studien konnten diese beiden Leistungen nicht in einer einzigen Reaktion bewerkstelligen: ein winziger Cokatalysator, der auch auf bestimmten Regionen des Photokatalysators platziert werden kann.
Eine kleinere Partikelgröße ist wichtig, da dann die Aktivität pro Menge an geladenem Cokatalysator aufgrund der Vergrößerung der spezifischen Oberfläche des Cokatalysators erheblich erhöht wird. Auch die flächenselektive Beladung ist wichtig, da sonst zufällig platzierte Cokatalysatoren auf Kristallflächen landen könnten, wo die gewünschte Reaktion nicht stattfindet.
Die Partikelgröße, die Beladungsposition und der elektronische Zustand des Cokatalysators im Photokatalysator, der mit der F-NCD-Methode (Rh2-xCrxO3/18-STO (F-NCD)) hergestellt wurde, wurden mit denen verglichen, die mit der herkömmlichen Methode hergestellt wurden. Insgesamt erreichten die mit der neuen Methode hergestellten Photokatalysatoren eine 2,6-mal höhere photokatalytische Aktivität bei der Wasserspaltung. Der resultierende Photokatalysator weist die höchste scheinbare Quantenausbeute auf, die bisher für Strontiumtitanat erreicht wurde.
Diese bemerkenswerte Methode hat unsere Fähigkeit verbessert, Wasserstoff ohne schädliche Nebenprodukte wie Kohlendioxid zu erzeugen. Dies könnte es uns ermöglichen, Wasserstoff als eine häufiger vorkommende, grüne Energiequelle zu nutzen, damit wir alle etwas leichter atmen können.
Weitere Informationen:
Daisuke Hirayama et al., Ultrafeiner Rhodium-Chrom-Mischoxid-Cokatalysator mit facettenselektiver Beladung für hervorragende photokatalytische Wasserspaltung, Zeitschrift der American Chemical Society (2024). DOI: 10.1021/jacs.4c07351