Titandioxid Solarenergie mit Titandioxid-Modifikation effizienter nutzen

Die Suche nach alternativen Energiequellen zu fossilen Brennstoffen gehört derzeit zu den wichtigsten Forschungszweigen. Wissenschaftler des KIT-Instituts für Funktionelle Grenzflächen haben nun einen weiteren Schritt in Richtung optimierter Photoreaktoren gemacht. Sie untersuchten eine Modifikation des Titandioxids.

Anbieter zum Thema

Shimadzu Deutschland GmbH

Weiss Technik GmbH

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Karlsruhe – Die Erschließung und Nutzung neuer Energiequellen zählt zu den größten Herausforderungen unserer Zeit. Solarenergie spielt dabei eine zentrale Rolle. Eine interessante Variante ist die direkte Umwandlung von Sonnenenergie in chemische Energie, beispielsweise die Erzeugung von Wasserstoff durch Spaltung von Wasser. Der momentan effizienteste, aber noch wenig verstandene Prozess ist die Titanoxid-basierte Photokatalyse. Wissenschaftler des KIT-Instituts für Funktionelle Grenzflächen (IFG) haben in Zusammenarbeit mit Kollegen aus dem In- und Ausland die fundamentalen Mechanismen der Photochemie an Titanoxid untersucht und liefern neue detaillierte Erkenntnisse.

Obwohl die Wasserstoffgewinnung aus Wasser und Sonnenlicht mittels Oxidpulvern schon seit mehreren Jahrzehnten intensiv untersucht wird, gibt es noch immer keine befriedigende Beschreibung der zugrunde liegenden physikalischen und chemischen Mechanismen. Unter der Leitung von Prof. Christof Wöll ist es Wissenschaftlern des KIT-Instituts für Funktionelle Grenzflächen (IFG) nun in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universitäten St. Andrews (Schottland) und Bochum sowie des Helmholtz-Forschungs-zentrums Berlin gelungen, neue Erkenntnisse zu fundamentalen Mechanismen der Photochemie an Titandioxid (TiO₂) zu gewinnen.

Anatas-Modifikation zehnmal aktiver

Titandioxid ist ein photoaktives Material und kommt in der Natur in den zwei Modifikationen Rutil und Anatas vor, wobei die Anatas-Form eine zehnfach höhere photochemische Aktivität besitzt. Fällt Licht auf dieses weiße Pulver, das auch als Pigment in der Malerei und als Sonnenschutzmittel eingesetzt wird, werden Elektronen in angeregte Zustände versetzt und können dann beispielsweise Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff spalten. Der auf diese Weise gewonnene Wasserstoff ist ein „sauberer“ Energieträger, da bei seiner Verbrennung kein klimaschädliches Treibhausgas, sondern lediglich Wasser entsteht. Titandioxid wird auch zur Herstellung selbstreinigender Oberflächen verwendet. Dabei entfernt einfallendes Sonnenlicht durch photochemische Prozesse unerwünschte Beläge. In Krankenhäusern wird dieser Effekt zur Sterilisierung speziell beschichteter Instrumente durch Bestrahlen mit UV-Licht genutzt.

Die physikalischen Mechanismen dieser photochemischen Reaktionen an Titandioxidoberflächen und insbesondere der Grund für die viel höhere Aktivität von Anatas konnten bislang noch nicht aufgeklärt werden, da die dafür verwendeten Pulverpartikel mit nur wenigen Nanometern winzig klein sind. Solch kleine Partikel sind für die Untersuchung mit leistungsstarken Methoden der Oberflächen-analytik nicht geeignet. Daher haben die Forscher für ihre Messungen Millimeter-große Einkristalle verwendet. An derartigen Substraten konnten dann mit Hilfe eines neuartigen Infrarot-Spektrometers erstmals präzise Messungen zur Photochemie an der Oberfläche von Titandioxid durchgeführt werden.

Optimierung von Photoreaktoren

Außerdem haben die Wissenschaftler mittels einer laser-basierten Technik die Lebensdauer von lichterzeugten elektronischen Anregungen im Inneren von TiO₂-Kristallen bestimmt. Genaue Informationen über diese Prozesse sind von großer Bedeutung, wie Christof Wöll, Leiter des IFG, erklärt: „Eine kurze Lebensdauer bedeutet, dass die angeregten Elektronen sofort wieder in ihren Ausgangszustand zurück fallen. Es entsteht eine Art interner Kurzschluss. Bei einer großen Lebensdauer bleiben die Elektronen lange genug im angeregten Zustand, um die Oberfläche des Kristalls zu erreichen, wo sie dann chemische Prozesse in Gang setzen.“ Anatas ist hierfür besonders gut geeignet, weil die elektronische Struktur dieses Materials eine Besonderheit aufweist, die diesen „internen Kurzschluss“ verhindert. Die Kenntnis dieser Ursache wird es den Forschern nun erlauben, Form, Größe und Dotierung der in den Photoreaktoren eingesetzten Anatas-Partikel weiter zu optimieren. Ziel ist es, photoaktive Materialien mit höheren Wirkungsgraden und längeren Lebensdauern zu entwickeln. „Für die Erzeugung elektrischer und chemischer Energie aus Sonnenlicht haben die Ergebnisse von Wöll und Mitarbeitern eine große Bedeutung, insbesondere im Hinblick auf die Optimierung von Photoreaktoren,“ sagt Prof. Olaf Deutschmann, Sprecher des Helmholtz-Graduiertenkollegs "Energy-related Catalysis“.

Originalpublikation: http://prl.aps.org/abstract/PRL/v106/i13/e138302; Mingchun Xu, Youkun Gao, Elias Martinez Moreno, Marinus Kunst, Martin Muhler, Yuemin Wang, Hicham Idriss, Christof Wöll, Phys. Rev. Lett. 106, 138302 (2011)

(ID:26747980)