Halbmetallische Kohlenstoffnitrid-Nanoblätter mit Mikrogitterresonanzstruktur für effiziente photokatalytische Wasserstoffproduktion
Auf dem Weg zur Lösung der globalen Energiekrise und Umweltverschmutzung mittels Erneuerbarer grüner Energie gilt Wasserstoff aufgrund seiner Umweltfreundlichkeit und hohen Energiedichte als idealer Energieträger. Hochinteressant dabei, Sonnenenergie zur Gewinnung von Wasserstoff aus Wasser zu nutzen, vor allem im Hinblick auf die Umweltkosten. In vielen Anwendungen bleibt jedoch der Mangel an stabilen, effizienten und kostengünstigen Katalysatoren für solche Systeme ein Hauptproblem. Ein Forscherteam dreier chinesischer Universitäten (Nanjing, Yangzhou und Zhenjiang) hat jetzt eine Alternative gefunden und in Nature Communications publiziert.
Siemens-Elektrolyseur (Detail) auf der Intersolar 2018 – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify
Inspiriert durch zahlreiche Untersuchungen wurden die ökonomischen und reichlich vorhandenen metallfreien Photokatalysatoren, wie Kohlenstoffquantenpunkte, schwarzer Phosphor und graphitische Kohlenstoffnitride, als Ersatz für den metallhaltigen, insbesondere für Edelmetall-Pt-Katalysator vorgeschlagen. Unter den oben genannten metallfreien Halbleitermaterialien wurden Photokatalysatoren mit einer großen Anzahl von exponierten aktiven Stellen, niedrigem Widerstand für die Trägerübertragung und breiter Sonnenlichtreaktion als vielversprechende Kandidaten für die Wasserstoff-Entwicklungsreaktion (hydrogen evolution reaction – HER) identifiziert.
In diesem Zusammenhang kann die Einführung der metallfreien halbmetallischen Eigenschaft (ein Material mit vollständiger Spinpolarisation auf Fermi-Ebene: die Mehrheit ist metallisch und die Minderheit halbleitend) in halbleitende Nanobleche die oben genannten Anforderungen erfüllen. Die halbmetallische Beschaffenheit, die sowohl die Aufrechterhaltung eines schnellen Elektronentransfers als auch eine effiziente Elektron-Loch-Trennung durch die Einführung von Triplett- und Singulett-angeregten Zuständen zur Folge hat, begünstigt die solare Nutzung. Noch wichtiger ist, dass einige neue aktive Stellen auf halbmetallischen Nanostrukturen zu erwarten sind.
Abstract
Die photokatalytische Wasserstoffherstellung aus Wasser hat eine intensive Suche nach metallfreien halbleitenden Photokatalysatoren ausgelöst. Herkömmliche Halbleitermaterialien leiden jedoch unter einer eingeschränkten Effizienz der Wasserstoffentwicklung aufgrund des geringen intrinsischen Elektronentransfers, der schnellen Neuzusammensetzung photogener Träger und des Fehlens einer künstlichen Mikrostruktur. Wir berichten hier von einem metallfreien halbmetallischen Kohlenstoffnitrid für eine hocheffiziente photokatalytische Wasserstoffbildung. Die eingeführten halbmetallischen Eigenschaften erleichtern nicht nur effektiv den Trägertransfer, sondern bieten auch mehr aktive Stellen für die Entwicklung von Wasserstoff.
Die Nanoblätter, die durch in situ-Pyrolyse der ionischen Flüssigkeit in eine Mikrogitterresonanzstruktur eingebunden sind und eine weiter verbesserte photoelektronische Kopplung und vollständige Nutzung der Sonnenenergie aufweisen, erhöhen die Wasserstoff-Entwicklungsrate auf bis zu 1009 ?mol g-1 h-1. Unsere Ergebnisse deuten auf eine Strategie für die mikrostrukturelle Regulierung von halbmetallischem Kohlenstoffnitridmaterial hin, und die Grundlagen liefern mittlerweile Anstöße für die Steuerung des Elektronentransfers und der solaren Energieabsorption in Elektrokatalyse, Photoelektrokatalyse und Photovoltaikzellen.
->Quellen:
Originalartikel:Gang Zhou, Yun Shan, Youyou Hu, Xiaoyong Xu, Liyuan Long, Jinlei Zhang, Jun Dai, Junhong Guo, Jiancang Shen, Shuang Li, Lizhe Liu & Xinglong Wu: Half-metallic carbon nitride nanosheets with micro grid mode resonance structure for efficient photocatalytic hydrogen evolution, in: Nature Communications volume 9, doi.org/10.1038/s41467-018-05590-x