So hilft ein Mikrojet bei der Optimierung von Photoelektroden

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Grüner Wasserstoff aus Wasser und Sonnenlicht lässt sich direkt in einer photoelektrochemischen Zelle produzieren. Dafür müssen jedoch supereffiziente Photoelektroden entwickelt werden ...

Sonnenlicht kann über Photoelektroden Strom erzeugen. Optimale Photoekektronden sind nicht nur im Wirkungsgrad gut, sondern auch im sauren oder basischen Wasser stabil und noch dazu preiswert, verfügbar und ungiftig. Die große Materialklasse der Metalloxide kommt dafür in Frage, wie Forscher vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie sagen. Es sei jedoch knifflig, herauszufinden, was wirklich an den Grenzflächen zwischen den festen Metalloxidelektroden und dem wässrigen Elektrolyten passiert. Denn normale Röntgenanalytik funktioniert nicht, um die Vorgänge an Proben in flüssigen Umgebungen zu untersuchen. Eine der wenigen geeigneten Methoden sind Experimente mit einem Liquid-Jet, der als extrem feiner Flüssigkeitsstrahl beschrieben wird, in dem Nanopartikel aus Metalloxid suspendiert sind. Dieser Strahl schießt durch das Röntgenlicht von Bessy II. Störungen der Messdaten durch verdampfte Moleküle sind dabei vernachlässigbar, wie es weiter heißt. Der Mikrojet ist so schmal, dass er nur eine extrem verdünnte Dampfwolke erzeugt. Photonen und Partikel können die Oberfläche des Jets erreichen oder verlassen, ohne mit den Dampfmolekülen zusammenzustoßen.

Unterschiede zu saurem und basischem Milieu

Dr. Robert Seidel ist Experte in Sachen Liquid-Jet-Methode. Sein Team untersuchte dabei zwei wichtige Modellsysteme für Photoelektroden: Nanopartikel aus Eisenoxid (Hämatit, α-Fe₂O₃, und Anatas (Titanoxid oder TiO₂) in wässrigen Elektrolyten mit unterschiedlichen pH-Werten. Hämatit und Anatas in Suspensionen sind photokatalytische Modellsysteme und ideal, um die Grenzfläche zwischen Festkörper und Elektrolyt auf molekularer Ebene zu untersuchen. So können chemische Reaktionen an Elektroden-Elektrolyt-Grenzflächen besser verstanden werden. Per resonanter Photoelektronenspektroskopie (PES) wurden die charakteristischen Fingerabdrücke verschiedener Reaktionen identifiziert. Damit konnten die Experten rekonstruieren, welche Reaktionsprodukte unter verschiedenen Bedingungen, insbesondere abhängig vom pH-Wert, entstehen. Die zentrale Frage, die die Berliner beantworten wollen, heißt: Wie reagieren die Wassermoleküle mit oder an den Oberflächen der Nanopartikel?

Wie sauer oder wie basisch ein Elektrolyt ist, mache in der Tat einen großen Unterschied, stellte Seidel fest. Bei niedrigem pH-Wert tendieren die Wassermoleküle an der Hämatitoberfläche dazu, sich aufzuspalten. Bei Anatas ist das nicht so. Bei diesem Metalloxid werden Wassermoleküle an der Oberfläche der TiO₂-NP adsorbiert, berichtete Seidel. Damit Wassermoleküle an den Anatasnanoteilchen zerlegt werden, ist ein basischer pH-Wert nötig. Solche Einblicke in die Wechselwirkungen an Oberflächen mit Wassermolekülen seien nur mit dieser Liquid-Jet-Methode erreichbar.

Aus den Spektren konnten die Forscher auch auf ultraschnelle Elektronenübergänge zwischen Metalloxid und den (aufgespalteten) Wassermolekülen auf der Oberfläche schließen. Diese Ergebnisse erlauben Einblicke in die ersten Schritte der Wasserdissoziation und helfen, den Mechanismus für die lichtinduzierte Wasserspaltung an Metalloxid-Oberflächen aufzuklären,

Seidel zur einer Sonderausgabe über das Thema:

Seidel erklärt: „Gießen Sie ein Glas Wasser ein und halten Sie es in einem Abstand von einem Zentimeter direkt an Ihre Nase. Was sehen Sie nicht? Nun, entlang einer Linie zwischen Ihrer Nasenspitze und der Wasseroberfläche befinden sich etwa 3 Millionen Moleküle.“ Ein Röntgenphoton oder ein Teilchen versucht etwa, die Oberfläche zu erreichen, stößt aber zuerst mit einigen dieser Moleküle zusammen, so dass Informationen über ihre Wechselwirkungen mit den Molekülen an der Grenzfläche und in der Tiefe des Wassers durcheinandergeraten, führt der Forscher weiter aus. Was das Vorwort in der Sonderausgabe so anschaulich schildert, war lange ein großes Problem. Erst mit der Liquid-Jet-Methode, die Manfred Faubel, Stephan Schlemmer und Jan Peter Toennies 1988 vorstellten, ließen sich Wasseroberflächen ohne diese Störungen untersuchen. Ein Sonderheft der Accounts of Chemical Research stellt nun neue spannende Ergebnisse mit dieser Methode vor. Als Gastherausgeber wurde der HZB-Forscher Dr. Robert Seidel verpflichtet. Mit den gewonnenen Erkenntnissen könnten effizientere Photoelektroden entwickelt werden, die in Sachen Gewinnung von grünem Wasserstoff mehr leisten könnten.

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