Umweltfreundliche Nanopartikel für die künstliche Photosynthese
Quelle: Universität Zürich
UZH-Forschende haben neuartige Nanopartikel für die künstliche Photosynthese entwickelt: sogenannte Quantenpunkte aus Indiumphosphid und Zinksulfid. Mithilfe von Sonnenlicht generieren diese Teilchen aus Wasser und Sonnenlicht Wasserstoff – einen nachhaltigen Energieträger. Diese leistungsstarken Quantenpunkte aus umweltfreundlichen Stoffen stehen nun erstmals für photokatalytische Prozesse zur Verfügung.
Quantenpunkte sind kleine Alleskönner. Es sind wenige Nanometer grosse Materialstrukturen, die sich ähnlich verhalten wie Atome oder Moleküle. Form, Grösse und Anzahl der Elektronen von Quantenpunkten lassen sich gezielt beeinflussen. Die elektronischen und optischen Eigenschaften der Nanopartikel können so optimal für die jeweiligen Einsätze angepasst werden: etwa für neue Displaytechnologien, biomedizinische Anwendungen sowie die moderne Photovoltaik und Photokatalyse.
Treibstoffherstellung aus Sonnenlicht und Wasser
Ein weiteres
Anwendungsgebiet zielt darauf ab, Wasserstoff direkt aus Wasser und
Sonnenlicht zu erzeugen. Wasserstoff ist ein sauberer und effizienter
Energieträger und lässt sich in gängige Treibstoffe wie Methanol und
Benzin umwandeln. Die
vielversprechendsten Typen von Quantenpunkten, die bisher in der
Energieforschung verwendet werden, enthalten Cadmium, das wegen seiner
Giftigkeit aus vielen Verbrauchsgütern verbannt wurde. Nun hat das Team
von Greta Patzke, Professorin am Institut für Chemie der Universität
Zürich (UZH), zusammen mit Forschenden der Southwest Petroleum
University in Chengdu und der Chinese Academy of Sciences neuartige
Nanoteilchen ohne toxische Elemente für die Photokatalyse entwickelt.
Indiumhaltige Kerne mit dünner Sulfid-Schicht
Die etwa drei Nanometer grossen Partikel bestehen aus
einem Kern von Indiumphosphid, der von einer sehr dünnen Schicht von
Zinksulfid umgeben ist. «Im Vergleich zu den cadmiumhaltigen
Quantenpunkten sind die neuen Verbindungen nicht nur umweltfreundlich,
sondern sind auch sehr effizient bei der katalytischen Herstellung von
Wasserstoff aus Licht und Wasser», erklärt Greta Patzke. Die
Sulfid-Ionen auf der Quantenpunkt-Oberfläche erleichtern dabei die
entscheidenden Schritte bei der lichtgetriebenen chemischen Reaktion:
eine effiziente Trennung der elektrischen Ladungsträger und ihr rascher
Transfer an den Wirkungsort des Nanopartikels, wo die Wasserspaltung
beginnt.
Grosses Potenzial für umweltschonende Anwendungen
Die neu entwickelten cadmiumfreien Nanomaterialien
können als umweltfreundlichere Basis für diverse grosstechnische
Anwendungen dienen. «Die wasserlöslichen und umweltfreundlichen
Quantenpunkte auf Indiumbasis können zukünftig auch getestet werden, um
Biomasse wie Zellulose in Wasserstoff umzuwandeln. Oder sie können etwa
zu kaum giftigen Biosensoren oder nichtlinearen optischen Materialien
weiterentwickelt werden», ergänzt Greta Patzke. Die Chemikerin wird sich
im Rahmen des Universitären Forschungsschwerpunkts «LightChEC» auch
weiterhin auf die Entwicklung von Katalysatoren für die künstliche
Photosynthese konzentrieren. Ziel dieses interdisziplinären
Forschungsprogramms ist es, Energie aus Sonnenlicht direkt als
Wasserstoff bzw. chemische Energie zu speichern.
Literatur:
Shan Yu, Xiang-Bing Fan, Xian Wang, Jingguo Li, Qian
Zhang, Andong Xia, Shiqian Wei, Li-Zhu Wu, Ying Zhou, and Greta R.
Patzke. Efficient Photocatalytic Hydrogen Evolution with Ligand
Engineered All-Inorganic InP and InP/ZnS Colloidal Quantum Dots. Nature
Communications. October 1, 2018. DOI: 10.1038/s41467-018-06294-y