25. Juli 2023 | Forschende der TU Wien entwickelten einen Fotokatalysator, mit dem sich Wasserstoff aus Wasser herstellen lässt. So lassen sich Wassermoleküle allein mit Sonnenlicht und einem Katalysator in Wasserstoff umwandeln. Außerdem lässt sich Sonnenenergie in grünem Wasserstoff speichern. Die Ergebnisse haben die Forschenden kürzlich in der Fachzeitschrift „Advanced Energy Materials“ publiziert.
Bei der Herstellung von grünem Wasserstoff durch Fotokatalyse, die am Wiener Institut für Materialchemie erforscht wird, spielt der Katalysator eine entscheidende Rolle. Im Gegensatz zu industriellen Katalysatoren nutzt der Fotokatalysator die Energie des Lichts, um die Aufspaltung von Wasser bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck zu erleichtern.
Zu den vielversprechendsten Kandidaten gehören metallorganische Gerüste, sogenannte MOFs. Sie bestehen aus molekularen anorganischen Bausteinen, die durch organische Verbindungsmoleküle zusammengehalten werden. Gemeinsam bilden sie hochporöse 3D-Netzwerke, die eine außergewöhnlich große Oberfläche und hervorragende Ladungstrennungseigenschaften aufweisen.
Die meisten MOFs sind jedoch nur unter Einfluss von UV-Licht aktiv. Deshalb verändern Forschende die organischen Komponenten so, dass sie sichtbares Licht absorbieren können. Diese Anpassungen haben jedoch einen negativen Einfluss auf die Mobilität der Elektronen. Eine weitere Einschränkung betrifft die Ladungsextraktion, bei der die Elektronen aus dem Material gelöst werden.
„MOFs sind zwar sehr gut geeignet, um Ladungsträger an den organisch-anorganischen Grenzflächen zu trennen, aber ihre effiziente Extraktion für katalytische Anwendungen bleibt eine Herausforderung“, erklärt Dominik Eder.
MOFs mit verbesserter Ladungsextraktion
Zuletzt haben MOFs mit Schichtstrukturen für den Einsatz in optoelektronischen Anwendungen viel Aufmerksamkeit erregt. Der Grund: Sie weisen eine deutlich verbesserte Ladungsextraktion auf.
„Man kann sich diese Schichtstrukturen wie eine Manner-Schnitte vorstellen, bei der die Waffel der anorganische Teil und die Schokolade der organische Ligand ist, der sie zusammenhält”, zieht Pablo Ayala, Erstautor der Studie, einen Vergleich. “Man muss den Waffelteil nur leitfähig machen.“
Im Gegensatz zu dreidimensionalen MOFs ist ein geschichtetes MOF in der Regel nicht porös, was die katalytisch aktive Fläche auf die äußere Oberfläche der Partikel reduziert.
„Daher mussten wir einen Weg finden, um diese Partikel so klein wie möglich zu machen“, erklärt Eder. Ändert man die Struktur eines Materials auf atomarer Ebene, schleichen sich jedoch häufig strukturelle Defekte ein. Diese können als Ladungsfallen wirken und die Extraktion von Ladungen verlangsamen. „Niemand mag eine Manner-Schnitte ohne Schokolade“, setzt Ayala seinen Vergleich fort. „Auch im Fall der Fotokatalyse brauchen wir das bestmögliche, herstellbare Material.“
Forschung zu weiteren Anwendungsgebieten
Das Team um Dominik Eder entwickelte daher einen neuen Syntheseweg, bei dem auch kleinere kristalline Strukturen frei von Defekten hergestellt werden können. Gelungen ist dies in Zusammenarbeit mit lokalen und internationalen Universitäten. Die neuartigen, geschichteten MOFs basieren auf Titan und haben eine kubische Form von nur wenigen Nanometern Größe. Das Material konnte bereits Rekordwerte bei der fotokatalytischen Wasserstoffproduktion unter Einwirken von sichtbarem Licht erzielen.
Mit Hilfe von Computersimulationen, die das Technion in Israel durchführt, konnte das Team den zugrundeliegenden Reaktionsmechanismus entschlüsseln und zwei Dinge nachweisen: Erstens, dass die schichtartige Beschaffenheit eines MOF in der Tat der Schlüssel zu einer effizienten Ladungstrennung und -extraktion ist. Zweitens, dass Missing-Ligand-Defekte als unerwünschte Ladungsfallen fungieren, die soweit möglich vermieden werden müssen, um die fotokatalytische Leistung des Materials zu verbessern.
Die Forschungsgruppe entwickelt derzeit weitere, neue geschichtete MOFs und erforscht sie für verschiedene Energieanwendungen.
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