Soldriven vattenklyvning är ett lovande sätt att generera ren och lagringsbar energi. En ny katalysator baserad på halvledarnanopartiklar har nu visat sig underlätta alla reaktioner som behövs för "konstgjord fotosyntes".

I ljuset av den globala klimatförändringen, det finns ett akut behov av att utveckla effektiva sätt att erhålla och lagra kraft från förnybara energikällor. Den fotokatalytiska uppdelningen av vatten till vätebränsle och syre ger ett särskilt attraktivt tillvägagångssätt i detta sammanhang. Dock, effektivt genomförande av denna process, som efterliknar biologisk fotosyntes, är tekniskt mycket utmanande, eftersom det handlar om en kombination av processer som kan störa varandra. Nu, LMU-fysiker ledda av Dr Jacek Stolarczyk och professor Jochen Feldmann, i samarbete med kemister vid universitetet i Würzburg under ledning av professor Frank Würthner, har för första gången lyckats demonstrera den fullständiga klyvningen av vatten med hjälp av ett allt-i-ett-katalytiskt system. Deras nya studie visas i tidskriften Naturenergi .

Tekniska metoder för fotokatalytisk delning av vattenmolekyler använder syntetiska komponenter för att efterlikna de komplexa processer som äger rum under naturlig fotosyntes. I sådana system, halvledarnanopartiklar som absorberar ljuskvanta (fotoner) kan, i princip, tjäna som fotokatalysatorer. Absorption av en foton genererar en negativt laddad partikel (en elektron) och en positivt laddad art som kallas ett "hål", " och de två måste separeras rumsligt så att en vattenmolekyl kan reduceras till väte av elektronen och oxideras av hålet för att bilda syre. "Om man bara vill generera vätgas från vatten, hålen tas vanligtvis bort snabbt genom att tillsätta kemiska reagenser, " säger Stolarczyk. "Men för att uppnå fullständig vattenklyvning, hålen måste hållas kvar i systemet för att driva den långsamma processen med vattenoxidation." Problemet ligger i att de två halvreaktionerna kan ske samtidigt på en enda partikel – samtidigt som man säkerställer att de motsatt laddade ämnena inte rekombinerar. Dessutom , många halvledare kan oxideras själva, och därmed förstört, genom de positivt laddade hålen.

Nanorods med rumsligt åtskilda reaktionsställen

"Vi löste problemet genom att använda nanorods gjorda av det halvledande materialet kadmiumsulfat, och rumsligt separerade områdena där oxidations- och reduktionsreaktionerna inträffade på dessa nanokristaller, Stolarczyk förklarar. Forskarna dekorerade spetsarna på nanoroderna med små partiklar av platina, som fungerar som acceptorer för de elektroner som exciteras av ljusabsorptionen. Som LMU-gruppen tidigare visat, denna konfiguration ger en effektiv fotokatalysator för reduktion av vatten till väte. Oxidationsreaktionen, å andra sidan, sker på sidorna av nanorod. För detta ändamål, , LMU-forskarna fäste på sidoytorna en ruteniumbaserad oxidationskatalysator utvecklad av Würthners team. Föreningen var utrustad med funktionella grupper som förankrade den till nanorod. "Dessa grupper ger extremt snabb transport av hål till katalysatorn, som underlättar effektiv generering av syre och minimerar skador på nanoroderna, " säger Dr Peter Frischmann, en av initiativtagarna till projektet i Würzburg.

Studien genomfördes som en del av det tvärvetenskapliga projektet "Solar Technologies Go Hybrid" (SolTech), som finansieras av delstaten Bayern. "SolTechs uppdrag är att utforska innovativa koncept för omvandling av solenergi till icke-fossila bränslen, säger professor Jochen Feldmann, innehavare av lärostolen för fotonik och optoelektronik vid LMU. "Utvecklingen av det nya fotokatalytiska systemet är ett bra exempel på hur SolTech sammanför den expertis som finns inom olika discipliner och på olika platser. Projektet hade inte kunnat lyckas utan det tvärvetenskapliga samarbetet mellan kemister och fysiker vid två institutioner, " tillägger Würthner, WHO, tillsammans med Feldmann, initierade SolTech 2012.