Photokatalyse Metalloxide machen aus Sonnenlicht mehr grünen Wasserstoff

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Bestimmte Metalloxide gelten als vielversprechend für effizientere Photokatalysatoren, um mit Sonnenlicht grünen Wasserstoff zu produzieren. Hier ein kleiner Einblick, in diesen Effekt.

Die Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mithilfe von photokatalytisch aktiven Partikeln könnte künftig für preiswerteren nachhaltigen Wasserstoff sorgen, informieren Experten am Helmholtz-Zentrum in Berlin. Denn mit Sonnenlicht werden in Photokatalysatoren Ladungsträger aktiviert, deren räumliche Trennung bei der photokatalytischen Wasserspaltung eine entscheidende Rolle spielt. Allerdings sind heutige Photokatalysatoren noch entweder sehr teuer oder wenig effizient. Doch hat man die Prozesse bei der Ladungstrennung jetzt experimentell erfasst – speziell von Kupfer-I-Oxid-Partikeln.

Zunächst mehr zum Hintergrund: Bei der Aktivierung von Ladungsträgern durch Licht überlagern sich mehrere Prozesse, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und auf verschiedenen räumlichen Skalen stattfinden, wie die Forscher erklären. Um solche Prozesse experimentell zu beobachten, werden Methoden benötigt, die eine zeitliche Auflösung des Geschehens bis hinunter zu Femtosekunden erlauben, aber auch, dass mit ihnen längere Prozesse beobachtet werden können, die innerhalb von Mikrosekunden und „langsamer“ ablaufen, wie es weiter heißt. An mikrokristallinen Kupfer-I-Oxid-Partikeln hat dies nun ein Team um den Wissenschaftler Fengtao Fan und Can Li aus dem Dalian National Laboratory for Clean Energy in China, diesen messtechnischen Spagat gemeistert. Die Ergebnisse sind so interessant, dass „Nature“ die Arbeit publizierte und redaktionell hervorgehoben hat.

Relaxierende „Löcher“ und Elektronen unter der besonderen „Zeit“-Lupe

Mit rasch aufeinanderfolgenden mikroskopischen Aufnahmen der entsprechend zeitaufgelösten Photoemissions-Elektronen-Mikroskopie entdeckten sie, dass einer dieser Prozesse in den Cu₂O-Partikeln extrem schnell abläuft – in weniger als Pikosekunden (10^-12 Sekunden). Nach Anregung mit Licht werden dabei Elektronen quasi ballistisch auf {001}-Facetten (ein bestimmter Bereich im Kristallgitter des Oxids) von Cu₂O-Partikeln übertragen.

Und um einen zweiten Prozess experimentell zu beobachten, war eine andere Methode erforderlich. Denn photogenerierte „Löcher" wandern zu den {111}-Facetten und werden dort durch Defekte eingefangen. Diesen wichtigen Prozess konnte Thomas Dittrich mit Transienter Oberflächen-Photospannungs-Spektroskopie (SPV-Spektroskopie) beobachten, einer von ihm am HZB entwickelten Methode. Er stellte fest, dass der Fang der Löcher relativ langsam stattfand, weil es Mikrosekunden dauerte. Zusammengenommen ermöglichen die Ergebnisse erstmals, Prozesse, die die Photokatalyse limitieren, auf mikrokristallinen Partikeln mit hoher Orts- und Zeitauflösung über weite Bereiche zu untersuchen und besser zu verstehen.

Mit der Transienten SPV-Spektroskopie können auch andere Halbleiter und Grenzflächen untersucht werden, die zum Beispiel für Anwendungen der Photovoltaik über die Photokatalyse bis zur Hochleistungselektronik relevant sind. Auch an organischen Halbleitern oder Ultrabreitband-Halbleitern wie Diamant ließen sich interessante Einsichten in Relaxationsprozesse (Entspannungseffekte in der Kristallstruktur) gewinnen.

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