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Effizienter Katalysator zur Wasserspaltung

Weiche Schale, harter Kern: Neues Rezept für Photokatalysator

| Autor/ Redakteur: Dr. Andreas Battenberg* / Christian Lüttmann

Feine, gebackene Doppelehlices, umhüllt mit einer Schicht Kohlenstoffnitrid: Dies ist – vereinfacht – das Rezept eines neuen Katalysators für die Wasserspaltung. Das an der Technischen Universität München (TUM)entwickelte Material soll ein vielversprechender Kandidat sein, zukünftig Wasserstoff mithilfe von Sonnenlicht aus Wasser zu gewinnen. Was den Photokatalysator auszeichnet, erfahren Sie in diesem Beitrag.

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Dr. Claudia Ott und Doktorand Felix Reiter im Labor der Arbeitsgruppe von Prof. Nilges in Garching
Dr. Claudia Ott und Doktorand Felix Reiter im Labor der Arbeitsgruppe von Prof. Nilges in Garching
(Bild: Uli Benz / TU München)

München – Einem internationalen Team um den TUM-Chemiker Prof. Dr. Tom Nilges und den Ingenieur Karthik Shankar von der University of Alberta ist es gelungen, eine stabile und trotzdem flexible Halbleiterstruktur zu finden, die Wasser deutlich effizienter spaltet als bisher möglich. Kern der Struktur ist eine anorganische Doppelhelix-Verbindung aus den Elementen Zinn, Iod und Phosphor (SnIP), die in einem Prozess bei Temperaturen um 400 °C synthetisiert wird. SnIP-Fasern sind den Forschern zufolge einerseits flexibel und gleichzeitig so robust wie Stahl.

„Das Material vereinigt die mechanischen Eigenschaften eines Polymers mit dem Potenzial eines Halbleiters“, sagt Nilges. „Daraus können wir in einem weiteren technischen Schritt flexible Halbleiterbauteile herstellen.“

Umhüllte Nanofäden

Um den neuartigen Wasserspaltungskatalysator zu seiner jetzigen Leistungsstärke zu bringen, erweiterte das Forscherteam das Rezept: Sie stellten dafür jeweils Nanoteilchen aus den SnIP-Fäden sowie aus Kohlenstoffnitrid her und vermischten die Suspensionen dieser beiden Nanoteilchen miteinander. Dabei entsteht eine Struktur aus hartem und trotzdem flexiblem Kern aus SnIP-Doppelhelices umhüllt mit einer weichen Schale aus Kohlenstoffnitrid.

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Wie Messungen zeigten, ist die so entstandene heterogene Struktur nicht nur deutlich stabiler als die Ausgangsstoffe, sie kann auch Wasser viermal effizienter spalten als bisher möglich – und ist somit interessant als Material, mit dem sich in Zukunft günstig Wasserstoff herstellen oder überschüssiger Strom aus Windkraftanlagen chemisch speichern ließe.

Eindimensionale Fasern für große Oberfläche

Die hohe Effizienz des Katalysators hängt vor allem mit seiner größeren Oberfläche zusammen. Dem Team gelang es, die Oberfläche zu vergrößern, indem sie die SnIP-Fasern in dünnere Stränge teilten. Am effektivsten ist eine Mischung aus 30 Prozent SnIP mit 70 Prozent Kohlenstoffnitrid.

Die dünnsten Fasern bestehen dabei aus wenigen Doppelhelix-Strängen und sind nur rund 100 Nanometer dick. Das Material ist also praktisch eindimensional. Eingewickelt in Kohlenstoffnitrid behält es seine hohe Reaktivität, ist aber langlebiger und damit als Katalysator besser geeignet.

Flexible 1D-Halbleiter als neues Trendmaterial?

Die eindimensionalen SnIP-Doppelhelices eröffnen auch noch ganz andere Anwendungen. Besonders spannend für die Forschenden wäre es, nur noch einen Doppelhelix-Strang von SnIP zu haben. Der würde dann rechts- oder linksdrehend vorliegen – mit jeweils ganz besonderen optischen Eigenschaften. Das macht SnIP für die Optoelektronik interessant.

„Wir konnten theoretisch zeigen, dass viele andere Verbindungen dieser Art existieren können und arbeiten gerade an der Synthese dieser Materialien“, sagt Nilges. „Flexible anorganische, nanometergroße 1D-Halbleiter können einen ebenso großen Hype auslösen wie es derzeit bei 2D-Schichtmaterialien wie Graphen, Phosphoren oder Molybdändisulfid der Fall ist.“

Originalpublikation: Claudia Ott, Felix Reiter, Maximilian Baumgartner, Markus Pielmeier, Anna Vogel, Patrick Walke, Stefan Burger, Michael Ehrenreich, Gregor Kieslich, Dominik Daisenberger, Jeff Armstrong, Ujwal Kumar Thakur, Pawan Kumar, Shunda Chen, Davide Donadio, Lisa S. Walter, R. Thomas Weitz, Karthik Shankar and Tom Nilges: Flexible and Ultrasoft Inorganic 1D Semiconductor and Heterostructure Systems Based on SnIP. Advanced Functional Materials, Volume29, Issue18, May 2, 2019; DOI: 10.1002/adfm.201900233

* Dr. A. Battenberg, Technische Universität München, 80333 München

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