Forscher der Universität Johannesburg haben einen neuen Photokatalysatortyp entwickelt, der den sichtbaren Teil des Sonnenlichtspektrums nutzt. Derzeit „nutzen“ wirtschaftliche und umweltfreundliche Photokatalysatoren ausschließlich das UV-Spektrum des Sonnenlichts – beispielsweise das häufig verwendete Titandioxid und andere ähnliche Äquivalente.
Die Forschung ist veröffentlicht in Journal of Science: Fortschrittliche Materialien und Geräte.
Der Photokatalysator ist der erste Dreikomponenten-Photokatalysator mit diesen spezifischen photokatalytischen Eigenschaften. Es besteht zu fast 90 % aus kostengünstigen Standardzutaten und ist einfach genug, um in ressourcenbeschränkten Labors im großen Maßstab hergestellt zu werden.
In anderen Forschungsstudien wurde ein Photokatalysator mit dem Edelmetall Palladium (Pd) beschrieben, der auch das sichtbare Spektrum des Sonnenlichts „nutzt“.
Im Gegensatz dazu verwendet der Photokatalysator in dieser Studie kleine Mengen des Nebenübergangsmetallkarbids Niob, um die dritte Komponente herzustellen, ein Nanomaterial namens MXene.
Niobcarbid MXene wurde in einer Vielzahl photokatalytischer Anwendungen wie der Wasserstofferzeugung und der Umwandlung von Kohlendioxid in wertvolle Produkte eingesetzt.
In Pulverform ist der Photokatalysator auch bei hohen Temperaturen, Feuchtigkeit und chemischen Schwankungen äußerst stabil.
Der Haken mit Photokatalysatoren
Die Reduzierung des Energieverbrauchs in industriellen Großprozessen kann schwierig sein. Aber was wäre, wenn ein großer Teil der verbrauchten elektrischen Energie stattdessen von der Sonne „zurückgewonnen“ werden könnte?
Photokatalysatoren können durch Sonnenlicht und andere Lichtformen „angeschaltet“ werden. Diese können dann chemische Prozesse um Größenordnungen erleichtern. Diese Katalysatoren weisen Potenzial für den Einsatz in einer Vielzahl von Energieerzeugungs- und Umweltentgiftungsindustrien auf.
Aber es gibt einen Haken. Derzeit sind hochwirksame Photokatalysatoren tendenziell sehr teuer. Auch schwierig und sogar gefährlich herzustellen.
Ein wesentlicher Kostenfaktor für Photokatalysatoren können Metalle wie Platin, Palladium oder Gold sein. Auch aus Umweltgesichtspunkten ist der Einsatz von Metallen in Photokatalysatoren nicht wünschenswert.
Ein weiterer Haken ist, dass die meisten aktuellen Photokatalysatoren dazu neigen, sich hauptsächlich bei Einwirkung von UV-Licht einzuschalten, das nur 5 % der Sonnenlichtenergie ausmacht, die die Erdoberfläche erreicht.
Mittlerweile macht sichtbares Licht 45 % der verfügbaren Sonnenlichtenergie aus und nahes Infrarot die restlichen 50 %.
Hinzufügen eines Drittels des sichtbaren Lichtspektrums
Der von den Forschern entworfene und getestete Photokatalysator nutzt etwa ein Drittel des sichtbaren Lichtspektrums, sagt Prof. Langelihle (Nsika) Dlamini. Dlamini ist Forscher am Department of Chemical Science der UJ.
Um es in Zahlen auszudrücken: Das ultraviolette Spektrum (UV) hat kürzere Wellenlängen (hohe Energie) im Bereich von 200 bis 400 Nanometern. Sichtbares Sonnenlicht hat längere Wellenlängen (niedrige Energie) von 400 bis 700 Nanometern.
Auf den violett-blau-cyan-grünen Anteil des sichtbaren Sonnenlichts direkt neben UV-Licht reagiert der Photokatalysator der UJ-Forscher. Dieser niederenergetische Anteil des sichtbaren Lichts „schaltet“ auch den Photokatalysator ein, um chemische Reaktionen auszulösen.
„Der Photokatalysator ist angeregt und weist im Wellenlängenbereich von 420 bis 520 Nanometern eine geringe Rate unerwünschter Elektronen- und Lochrekombinationen auf. Dies ist auf das einzigartige Strukturdesign der integrierten Materialien zurückzuführen“, sagt Dlamini.
„Das bedeutet, dass der Photokatalysator je nach Effizienz in der Lage sein sollte, auf zusätzliche 15 % der verfügbaren Sonnenenergie zu reagieren, um chemische Prozesse auszulösen“, sagt er.
Erster wirtschaftlicher und stabiler Photokatalysator im sichtbaren Spektrum
Diese Studie ist eine Premiere für einen wirtschaftlichen Nichtedelmetall-Photokatalysator, sagt Ph.D. Kandidat Herr Collen Makola.
„Die Leistung jedes Photokatalysators kann gemessen werden, indem seine Fähigkeit bewertet wird, Sonnen- und/oder Lichtenergie in chemische Energie umzuwandeln. Dies wird als Photo-zu-chemische-Konversionseffizienz bezeichnet, dargestellt als mu.“
„Unser Photokatalysator (mu = 4,86 %) übertrifft einen Dreikomponenten-Photokatalysator (mu = 1,81 %), der 2017 in einem Zeitschriftenartikel erschien. Dieser Photokatalysator bestand aus Silber, Cadmiumsulfid und Zinkoxid“, sagt Makola.
In Temperaturtests stellten die Forscher fest, dass der Photokatalysator bis 500° Celsius äußerst stabil ist. Außerdem wurde die Stabilität in Wasser mit unterschiedlichen pH-Werten im Bereich von pH 1 bis pH 14 bestätigt.
Darüber hinaus verteilt sich der vorbereitete Photokatalysator gleichmäßig im Wasser – ein zusätzlicher Vorteil für photokatalytische Anwendungen.
Drei Zutaten, nahezu metallfrei
Um einen Photokatalysator mit dieser Leistung zu erhalten, kombinierten die Forscher drei „Zutaten“ für das endgültige Design des Photokatalysators.
Erstens besteht etwa 89 % der Gesamtmasse des pulverförmigen Photokatalysators aus graphitischem Kohlenstoff, sagt Dlamini.
„Graphitischer Kohlenstoff wird durch UV-Licht im Wellenlängenbereich von 200 bis 400 Nanometern ‚angeregt‘ oder ‚angeschaltet‘. Dabei entstehen freie Elektronen, die dann verschiedene chemische Prozesse in Gang setzen können“, fügt Dlamini hinzu.
Die Forscher stellten diesen Inhaltsstoff in einem der UJ-Labors her. Die zweite Zutat macht etwa 10 % der Endmasse aus. Das ist das Calixaren, in diesem Fall ein becherförmiges Molekül.
„Wir haben das Calixaren hinzugefügt, damit der Photokatalysator unerwünschte organische Moleküle wie Körperpflegeprodukte, Arzneimittel und deren Metaboliten sowie andere Substanzen im kommunalen Abwasser „einfangen“ und abbauen kann. Calixarene werden seit Jahrzehnten in Arzneimitteln verwendet“, fügt Dlamini hinzu.
Die Forscher kauften das Calixaren von der Stange und modifizierten es dann.
Die dritte Zutat ist MXene. „Die Hauptfunktion von MXene besteht darin, zu verhindern, dass sich die fotogenerierten Elektronen aus dem graphitischen Kohlenstoffnitrid bei Einwirkung von sichtbarem Licht mit den positiv geladenen Spezies (sogenannten Löchern) rekombinieren oder ‚aufheben‘“, sagt Makola.
Das von ihnen ausgewählte MXene macht etwa 1 % der Endmasse aus. Es enthält Kohlenstoff und eine geringe Menge Niob, ein relativ kostengünstiges Metall.
„Sowohl das Calixaren als auch das MXen trugen zur Verschiebung der Lichtabsorption in den sichtbaren Bereich des Sonnenspektrums bei“, sagt Makola.
Vielseitig und vielfältig einsetzbar
Der wirtschaftliche Photokatalysator hat von Natur aus ein erhebliches Potenzial für zahlreiche industrielle Anwendungen, bei denen Sonnenlicht oder elektrisches Licht zur Erleichterung chemischer Prozesse zur Verfügung steht, sagt Dlamini. Dies reicht von der Wasseraufbereitung bis hin zur Sterilisation von Anbauräumen oder medizinischen Einrichtungen und mehr.
Derzeit testen die Forscher im Labormaßstab die Fähigkeit des Photokatalysators, organische Schadstoffe und Arzneimittelrückstände in realen Abwasserproben abzubauen.
Mehr Informationen:
Lekgowa C. Makola et al., Ein Einblick in eine neuartige Calixaren-sensibilisierte Calix@Nb2CTx/g-C3N4 MXene-basierte photokatalytische Heterostruktur: Herstellung, physikalisch-chemische, optoelektronische und photoelektrochemische Eigenschaften, Journal of Science: Fortschrittliche Materialien und Geräte (2023). DOI: 10.1016/j.jsamd.2023.100593
Zur Verfügung gestellt von der Universität Johannesburg