Forscher entwickeln umweltfreundlichere Alternative zu fossilen Brennstoffen, indem sie Wasserstoff aus Wasser und Licht erzeugen

Forscher an der University of North Carolina am Chapel Hill Department of Chemistry haben Silizium-Nanodrähte entwickelt, die Sonnenlicht in Strom umwandeln können, indem sie Wasser in Sauerstoff und Wasserstoffgas spalten, eine umweltfreundlichere Alternative zu fossilen Brennstoffen.

Vor fünfzig Jahren, demonstrierten Wissenschaftler erstmals, dass flüssiges Wasser mithilfe von Elektrizität, die durch Beleuchten einer Halbleiterelektrode erzeugt wird, in Sauerstoff- und Wasserstoffgas gespalten werden kann. Obwohl mit Solarenergie erzeugter Wasserstoff eine vielversprechende Form sauberer Energie ist, haben niedrige Wirkungsgrade und hohe Kosten die Einführung kommerzieller solarbetriebener Wasserstoffanlagen behindert.

Eine wirtschaftliche Machbarkeitsanalyse legt nahe, dass die Verwendung einer Aufschlämmung von Elektroden aus Nanopartikeln anstelle eines starren Solarmoduldesigns die Kosten erheblich senken könnte, wodurch solarerzeugter Wasserstoff gegenüber fossilen Brennstoffen wettbewerbsfähig wird. Jedoch, die meisten existierenden lichtaktivierten Katalysatoren auf Partikelbasisauch als Photokatalysatoren bezeichnet, können nur ultraviolette Strahlung absorbieren, was ihre Energieumwandlungseffizienz unter Sonneneinstrahlung einschränkt.

James Cahoon, Ph.D., Hyde Family Foundation Professor of Chemistry am UNC-Chapel Hill’s College of Arts and Sciences, und seine Kollegen in der Abteilung haben an der chemischen Synthese von Halbleiter-Nanomaterialien mit einzigartigen physikalischen Eigenschaften gearbeitet, die eine Reihe von Möglichkeiten ermöglichen können von Technologien, von Solarzellen bis zu Festkörperspeichern. Cahoon fungiert als korrespondierender Autor der am 9. Februar veröffentlichten Ergebnisse Natur.

Cahoon und sein Team entwarfen neue Silizium-Nanodrähte mit mehreren Solarzellen entlang ihrer Achse, damit sie die zur Spaltung von Wasser erforderliche Energie erzeugen konnten.

„Dieses Design ist beispiellos in früheren Reaktordesigns und ermöglicht erstmals die Verwendung von Silizium in einem PSR“, erklärte Taylor Teitsworth, ein Postdoktorand in Cahoons Labor.

Silizium absorbiert sowohl sichtbares als auch infrarotes Licht. Aufgrund dieser und anderer Eigenschaften – einschließlich seiner Häufigkeit, geringen Toxizität und Stabilität – war es in der Vergangenheit die erste Wahl für Solarzellen, die auch als Photovoltaikzellen und Halbleiter bezeichnet werden. Mit seinen elektronischen Eigenschaften besteht die einzige Möglichkeit, die Wasserspaltung mit Siliziumpartikeln drahtlos voranzutreiben, darin, mehrere Photovoltaikzellen in jedem Partikel zu codieren. Dies kann erreicht werden, indem Partikel erzeugt werden, die mehrere Grenzflächen, sogenannte Übergänge, zwischen zwei verschiedenen Formen von Silizium – p-Typ- und n-Typ-Halbleitern – enthalten.

Zuvor konzentrierte sich die Forschung von Cahoon auf eine Bottom-up-Synthese und räumlich kontrollierte Modulation von Silikon mit Bor für Nanodrähte vom p-Typ und mit Phosphor für Nanodrähte vom n-Typ, um wünschenswerte Geometrien und Funktionalitäten zu verleihen.

„Wir haben diesen Ansatz genutzt, um eine neue Klasse von wasserspaltenden Nanopartikeln mit mehreren Übergängen zu schaffen. Diese kombinieren die materiellen und wirtschaftlichen Vorteile von Silizium mit den photonischen Vorteilen von Nanodrähten, die einen kleineren Durchmesser als die Wellenlänge des absorbierten Lichts haben“, sagte Cahoon. „Aufgrund der inhärenten Asymmetrie der Drahtverbindungen konnten wir die Co-Katalysatoren mit einem lichtgetriebenen elektrochemischen Verfahren selektiv auf die Enden der Drähte aufbringen, um die Wasserspaltung zu ermöglichen.“