Ein neues Screening-System kann den Weg zu sauberer, erneuerbarer Wasserstoffenergie weisen

Ein neues, hochempfindliches System zur Erkennung der Produktion von Wasserstoffgas könnte laut Wissenschaftlern der Penn State eine wichtige Rolle bei der Suche nach Wasserstoff als umweltfreundliche und wirtschaftliche Alternative zu fossilen Brennstoffen spielen.

„Wir haben ein neues System zum Nachweis der Wasserstoffentwicklung gebaut, das das empfindlichste der Welt ist“, sagte Venkatraman Gopalan, Professor für Materialwissenschaften und -technik und Physik an der Penn State. „Damit wird ein Problem angegangen, das noch nicht angesprochen wurde, das aber für die Materialforschung wichtig ist.“

Das Tool kann verwendet werden, um vielversprechende Photokatalysatoren zu screenen, Materialien, die, wenn sie in Wasser gelegt und Sonnenlicht ausgesetzt werden, Reaktionen erleichtern, die Wassermoleküle in Wasserstoff- und Sauerstoffgase spalten, sagten die Wissenschaftler. Der als Wasserspaltung bezeichnete Prozess bietet eine saubere und erneuerbare Wasserstoffquelle, ist jedoch ineffizient, und es war eine Herausforderung, die richtigen Photokatalysatoren zur Steigerung der Wasserstoffproduktion zu finden.

In einer Studie stellte das Team fest, dass es kleinere Mengen an Photokatalysatormaterial als bisher möglich testen und sehr kleine Mengen an erzeugtem Wasserstoffgas oder Wasserstoffentwicklung im Bereich von zehn Nanomol pro Stunde pro zehn Milligramm Material nachweisen konnte. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie kürzlich in der Überprüfung der wissenschaftlichen Instrumente.

„Wenn Sie sowohl in den Kategorien der Wasserstoffentwicklungsrate als auch der Masse des benötigten Photokatalysators niedrig eingestuft wurden, bedeutet dies, dass es sich um ein wirklich empfindliches System zur Entdeckung neuer photokatalytischer Materialien handelt“, sagte Huaiyu „Hugo“ Wang, ein Doktorand in der Abteilung für Materialien Wissenschaft und Technik, die die Studie leiteten und das System bauten. „Und es stellt sich heraus, dass unsere Arbeit in beiden Kategorien am besten abgeschnitten hat.“

Die Entwicklung von Photokatalysatoren ist ein Gebiet intensiver Forschung. An der Penn State haben Wissenschaftler unter der Leitung von Ismaila Dabo, außerordentliche Professorin für Materialwissenschaft und -technik, hat kürzlich einen Supercomputer verwendet, um eine Liste von mehr als 70.000 verschiedenen Verbindungen auf sechs vielversprechende Kandidaten einzugrenzen. Ein anderes Team unter der Leitung von Raymond Schaak, DuPont-Professor für Materialchemie, synthetisierte die Materialien in ihrem Labor, aber die Herstellung selbst kleiner Mengen ist teuer und zeitaufwändig.

„Typische Photokatalysatoren verwenden seltene und kostbare Metalle wie Platin, die immens teuer sind“, sagte Julian Fanghanel, ein Doktorand in Materialwissenschaft und -technik, der von Dabo und Schaak gemeinsam beraten wird. „Für dieses Projekt stellen wir Dutzende von Materialmustern her, daher ist es unpraktisch, zeitaufwändig und kostspielig, sie in großen Mengen herzustellen.“

Gopalan sagte, das neue System werde es Wissenschaftlern ermöglichen, kleinere Mengen dieser Materialien zu testen und sich auf die vielversprechendsten Kandidaten zu konzentrieren. Aber als es an der Zeit war, Proben zu testen, stellten die Forscher fest, dass kommerzielle Geräte nicht empfindlich genug waren, also bauten Gopalan und Wang ihre eigenen.

„Sie haben von Grund auf ein einzigartig empfindliches Gaschromatographie-Setup für den reproduzierbaren Nachweis von Wasserstoff entwickelt, das für die Validierung unserer rechnerischen Vorhersagen von entscheidender Bedeutung war“, sagte Dabo. „Diese neu entwickelte Fähigkeit war ein Schlüsselfaktor, um die Entdeckung neuer Photokatalysatoren für die solare Wasserstoffproduktion zu bestätigen.“

Im Gegensatz zu den kommerziellen Einheiten kann das neue Design Photokatalysatoren in ihrem nackten Zustand testen, sagten die Wissenschaftler. Um effektiv zu sein, benötigen Photokatalysatoren Co-Katalysatoren und andere Techniken, die ihre Effizienz weiter verbessern. Der Goldstandard ist beispielsweise Titandioxid mit zugesetzten Platinpartikeln als Co-Katalysator. Photokatalysatoren ohne diese Add-Ons gelten als leer.

„Wenn wir uns neue Materialien ansehen, wissen wir nicht, was die richtigen Co-Katalysatoren sein werden“, sagte Wang. „Die einfache Antwort lautet: Die Erkennung der nackten Form ist der schnellste Weg, um die Richtung dieses Materialentdeckungsprozesses zu bestimmen.“

Zwei der im Rahmen der Studie getesteten Photokatalysatormaterialien schnitten besser ab als Titandioxid in seinem reinen Zustand, sagten die Wissenschaftler. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine weitere Untersuchung dieser Materialien vielversprechende Photokatalysatoren hervorbringen könnte.

„Wenn Sie eine reine Verbindung haben, die sich viel besser verhält als Titandioxid, dann wissen wir, dass dies ein potenziell zu optimierendes Material ist“, sagte Wang. „Wenn wir die richtigen Co-Katalysatoren für diese Materialien finden, können wir sie um Größenordnungen oder Größenordnungen verbessern, und diese Materialien könnten schließlich bei der Wasserspaltung nützlich sein.“

Die Wissenschaftler sagten, das System sei erschwinglich und einfach aus handelsüblichen Komponenten zu bauen. Es zeichnet sich durch eine geringe Leckagerate und ein kleines Reaktionskammervolumen aus, was eine um drei Größenordnungen höhere Nachweisempfindlichkeit für die Wasserstoffentwicklung als ein herkömmliches Gaschromatographiesystem ermöglicht.

„Es ist keine brandneue Technologie, es ist einfach überlegene Technik“, sagte Gopalan. „Der Wert davon ist, dass es ein einfaches, kostengünstiges System ist, das jeder bauen kann. Und wenn er das tut, wird seine Forschung zur Entdeckung neuer Photokatalysatoren viel schneller voranschreiten.“

Ein weiterer Beitrag von der Penn State war Rebecca Katz, Doktorandin am Eberly College of Science.