Energie aus Sonnenlicht: Neuer Katalysator für die Wasserspaltung

Munich, Jan 24, 2013

Die Spaltung von Wasser mittels Sonnenlicht ist eine vielversprechende Option für die Gewinnung erneuerbarer Energie. Neue Katalysatoren auf der Basis von Kohlenstoffnitriden könnten die Entwicklung dieser Technologie vorantreiben.
Wasserstoff gilt als Energieträger der Zukunft, da er einerseits eine hohe Energiedichte aufweist und andererseits eine umweltverträgliche Energiequelle darstellt. Die photokatalytische Wasserspaltung - die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mittels Sonnenlicht - stellt dabei eine technologisch wichtige Alternative zur energieaufwendigen elektrolytischen Wasserspaltung dar. Ein zentrales Anliegen der Materialchemie ist daher die Entwicklung umweltfreundlicher, preiswerter und stabiler Photokatalysatoren.

Kohlenstoffnitride waren lange nur für ihre strukturelle Vielfalt bekannt. "Aufgrund ihrer interessanten elektronischen Eigenschaften ist der Einsatz derartiger polymerer Halbleiter aber auch in der Photokatalyse vielversprechend", sagt Professor Bettina Lotsch, LMU-Chemikerin und Leiterin einer Arbeitsgruppe am MPI für Festkörperforschung in Stuttgart. Kohlenstoffnitride sind chemisch und thermisch stabil, haben ein geringes Eigengewicht und können relativ einfach und kostengünstig synthetisiert werden - dies macht sie den meist teureren und vor allem weniger umweltfreundlichen schwermetallhaltigen Photokatalysatoren überlegen.

Chemische Modifizierung steigert photokatalytische Aktivität um ein Vielfaches

Lotsch entwickelte mit ihrem Team um die Doktoranden Katharina Schwinghammer und Brian Tuffy in Zusammenarbeit mit Münchner und Bayreuther Kollegen nun eine neue Klasse von Kohlenstoffnitrid-Photokatalysatoren, deren photokatalytische Aktivität im sichtbaren Bereich des solaren Spektrums signifikant besser ist als diejenige des bisher meist untersuchten Kohlenstoffnitrids Melon, einem eindimensionalen Polymer aus Heptazin-Einheiten.

Der neue Katalysator basiert auf Poly(triazinimid) (PTI), das eine zweidimensionale, aus Triazin-Einheiten aufgebaute Grundstruktur besitzt und selbst unmodifiziert dem bislang aktivsten Kohlenstoffnitrid-Photokatalysator Melon ebenbürtig ist. Eine entscheidende Verbesserung erreichten die Wissenschaftler durch die Beimengung einer niedermolekularen organischen Verbindung - dies steigerte die Aktivität von PTI noch einmal um das 5- 6-fache.

Damit die photokatalytische Wasserspaltung nutzbar gemacht werden kann, muss die Effizienz dieser Reaktion deutlich erhöht werden. Die bisherigen Katalysatoren sind für eine technische Nutzung noch nicht aktiv genug. Der nun von Lotschs Gruppe entwickelte polymere Katalysator könnte diesem spannenden Forschungsfeld neue Möglichkeiten eröffnen. "Ein großer Vorteil von PTI ist seine zweidimensionale Struktur und gute Verfügbarkeit, die das Spektrum möglicher Kohlenstoffnitrid-Photokatalysatoren erweitert und auf eine breitere Grundlage stellt", sagt Lotsch. (Angewandte Chemie International Edition, 2013)