Rhombos-Online-Nachrichten (RON)
07.06.2019
Kategorie: Energieforschung

Internationale Forschungsgruppe hat einen effizienten Katalysator für die Wasserspaltung entwickelt

Neues Halbleiter-Hybridmaterial ermöglicht eine nachhaltige und günstigere Wasserstoffproduktion

München. Eine Forschungsgruppe der Technischen Universität München (TUM) um den TUM-Chemiker Professor Dr. Tom Nilges und den Ingenieur Karthik Shankar von der University of Alberta hat in einer internationalen Kooperation einen effizienten Wasserspaltungskatalysator entwickelt. Der neue Katalysator ist umhüllt mit Kohlenstoffnitrid und besteht aus einer anorganischen Doppelhelix-Verbindung aus den Elementen Zinn, Iod und Phosphor (SnIP). Die stabile und trotzdem flexible Halbleiterstruktur des Katalysators ist ideal, um günstiger und nachhaltiger als bisher Wasserstoff zu erzeugen. Die Forschungsergebnisse wurden im Mai 2018 in der Fachzeitschrift "Advanced Functional Materials" veröffentlicht.

Kern der Struktur ist eine anorganische Doppelhelix-Verbindung aus den Elementen Zinn, Iod und Phosphor (SnIP). Sie wird in einem einfachen Prozess bei Temperaturen um 400 Grad Celsius synthetisiert. SnIP-Fasern sind einerseits flexibel und gleichzeitig so robust wie Stahl.

„Das Material vereinigt die mechanischen Eigenschaften eines Polymers mit dem Potential eines Halbleiters“, sagt Tom Nilges, Professor für Synthese und Charakterisierung innovativer Materialien an der TU München. „Daraus können wir in einem weiteren technischen Schritt flexible Halbleiterbauteile herstellen.“

Mit dem Wasserspaltungskatalysator entwickelte die Forschungsgruppe eine erste Anwendung für das ungewöhnliche Material. Sie stellten dafür jeweils Nanoteilchen aus beiden Ausgangssubstanzen 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.

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 deshalb interessant als Material, mit dem sich günstig Wasserstoff herstellen oder überschüssiger Strom aus Windkraftanlagen chemisch speichern lässt.

Dr. Claudia Ott und Doktorand Felix Reiter in ihrem Labor in Garching

© Uli Benz / TU Muenchen

Elektronenmikroskopische Aufnahme des Hybrid-Materials.
(© Pawan Kumar / University of Alberta)


Die hohe Effizienz des Katalysators hängt vor allem mit seiner größeren Oberfläche zusammen. Der Gruppe 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 wenige 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.

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.“ (Dr. Ulrich Marsch/TUM)


Die Arbeiten wurden unter unterstützt durch die Europäische Gemeinschaft im Rahmen des Projekts „Calipso“, vom National Research Council Canada (NRC), vom Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Internationalen Graduiertenschule ATUMS (TU München und University of Alberta, Kanada), durch die Exzellenzcluster e-conversion und Nanosystems Initiative Munich (NIM), das Projekt „Solar Technologies go Hybrid” (Soltech) des Freistaats Bayern, durch das Center for Nanoscience (CeNS), von Future Energy Systems (FES), CMC Microsystems und der Diamond Light Source Ltd..


Kontakt:

Professor Dr. Tom Nilges

Professur für Synthese und Charakterisierung innovativer Materialien

Technische Universität München

Lichtenbergstr. 4, 85748 Garching

URL: https://www.department.ch.tum.de/acinnomat/prof-dr-tom-nilges/

Originalpublikation:

Ott, Claudia; Reiter, Felix; Baumgartner, Maximilian; Pielmeier, Markus; Vogel, Anna; Walke, Patrick; Burger, Stefan; Ehrenreich, Michael; Kieslich, Gregor; Daisenberger, Dominik; Armstrong, Jeff; Thakur, Ujwal Kumar; Kumar, Pawan; Chen, Shunda; Donadio, Davide; Walter, Lisa S.; Weitz, R. Thomas; Shankar, Karthik; Nilges, Tom: Flexible and Ultrasoft Inorganic 1D Semiconductor and Heterostructure Systems Based on SnIP. In: Advanced Functional Materials, Volume 29, Issue 18, May 2, 2019 (First published: 13 March 2019), 1900233 – DOI: 10.1002/adfm.201900233

Link: https://doi.org/10.1002/adfm.201900233 oder https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201970120