Forscher erzielen hohe Quantenausbeute bei photokatalytischer Wasserspaltung

Bei der photokatalytischen Wasserspaltung wird ein Photokatalysator, üblicherweise ein Halbleitermaterial, verwendet, um Lichtenergie zu absorbieren und die Wasserspaltungsreaktion einzuleiten. Wenn Licht vom Photokatalysator absorbiert wird, entstehen Elektronen-Loch-Paare. Die angeregten Elektronen können dann Wasser reduzieren, während die Löcher Wasser oxidieren können.

Allerdings sind mit der photokatalytischen Wasserspaltung mehrere Herausforderungen verbunden, vor allem die geringe Effizienz, die begrenzte Absorption von sichtbarem Licht und die Photokorrosion des Photokatalysators. Daher werden verschiedene Strategien wie die Bildung von Heteroübergängen, das Design von Nanostrukturen, die Verwendung von Cokatalysatoren, die Farbstoffsensibilisierung, die plasmonische Oberflächenverstärkung, Dotierung und Defektkontrolle untersucht, um diese Probleme zu lösen und den Effizienzengpass zu überwinden.

Insbesondere die Dotierung hat große Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Verschiedene Studien haben ihre Wirksamkeit nachgewiesen. So erreichte Kudos Team beispielsweise durch Metalloxidmodifizierung eine scheinbare Quantenausbeute (AQY) von über 50 %. Die Stickstoffdotierung von TiO2 erwies sich, wie Asahi berichtete, als entscheidend für die Verengung der Bandlücke und eine verbesserte photokatalytische Aktivität.

Domen führte eine feste Lösung aus Gallium und Zinkstickstoffoxid (Ga1–xZnx)(N1–xOx) zur Spaltung von Wasser mit sichtbarem Licht ein. Chen erforschte die Einführung von Unordnung in TiO2-Nanophasenschichten über Hydrierung zur Verbesserung der Sonnenabsorption. Takata erreichte eine umfassende Wasserspaltung mithilfe eines modifizierten, aluminiumdotierten Strontiumtitanat-Photokatalysators (SrTiO3:Al) mit einer externen Quanteneffizienz von bis zu 96 %.

Kürzlich hat das Team von Prof. Wenfeng Shangguan von der Shanghai Jiao Tong University, China, seine Forschung mit anderen bedeutenden Studien integriert, um einen umfassenden Überblick über die Energiebandstruktur, Mikrostruktur, Defektregulierung und Dotierungsstrategien zu liefern, die die photokatalytische Aktivität beeinflussen. Ihr Schwerpunkt auf der Dotierung von Wismut-basierten Verbundoxiden mit Seltenerdelementen zielt darauf ab, das Leitungsbandminimum zu erhöhen und eine allgemeine Wasserspaltung unter sichtbarem Licht zu erreichen.

Ihre innovative asymmetrische Dotierungstechnik – Selected Local Gradient Doping – ermöglicht die kontrollierte Freisetzung dotierter Ionen und verspricht damit bedeutende Beiträge zur Erforschung neuer Materialien und zur Verbesserung der Energieumwandlungseffizienz bei der photokatalytischen Wasserspaltung unter sichtbarem Licht. Die Ergebnisse wurden veröffentlicht in Chinesisches Journal für Katalyse.