Wissenschaftler testen am 7. April eine Probe eines Titandioxid-Halbleiter-Photokatalysators (TiO₂), nachdem dieser im Labor des Shenyang Materials Research Center des Institute of Metals Research der Chinesischen Akademie der Wissenschaften verbessert wurde. Foto: Xinhua
Vor 150 Jahren prophezeite Science-Fiction-Autor Jules Verne, Wasser werde der ultimative Treibstoff der Zukunft sein. Heute arbeiten Wissenschaftler daran, diese Vorhersage Wirklichkeit werden zu lassen.
Liu Gang, Direktor des Instituts für Metallforschung der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Leiter des Forschungsteams, sagte, dass das chinesische wissenschaftliche Forschungsteam kürzlich bahnbrechende Fortschritte auf dem Gebiet der „photokatalytischen Wasserspaltung zur Erzeugung von Wasserstoff“ erzielt habe.
Durch „Umstrukturierung“ und „Elementsubstitution“ im photokatalytischen Halbleitermaterial Titandioxid (TiO₂) verbesserte das Team die Effizienz der Erzeugung von Wasserstoffgas direkt aus Sonnenlicht erheblich.
Die Ergebnisse der entsprechenden Forschung wurden am 8. April im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht.
Derzeit gibt es zwei Hauptmethoden zur Herstellung von Wasserstoff aus Sonnenenergie.
Eine Möglichkeit besteht darin, mithilfe von Solarmodulen Strom zu erzeugen und anschließend Wasser zu elektrolysieren. Die Anlage ist zwar hocheffizient, aber komplex und teuer.
Die zweite Möglichkeit ist die direkte Photolyse durch Sonnenlicht. Dabei werden Halbleitermaterialien wie Titandioxid verwendet, um unter Sonnenlicht „Wasser zu spalten“.
Das Team von Liu Gang konzentrierte sich auf die zweite Methode.
Der Einleitung zufolge weist die traditionelle Methode der Wasserspaltung mit Titandioxid ein großes Hindernis auf: Wenn Licht auf Titandioxid fällt, entstehen darin elektrisch geladene Teilchen (Elektronen und Elektronenlöcher), die die „Werkzeuge“ zur Wasserspaltung darstellen. Diese Elektronen und Elektronenlöcher sind jedoch instabil.
„Elektronen und Löcher sind wie Rennwagen, die ihre Orientierung verloren haben und zufällig im Labyrinth der Materialstruktur herumstoßen; die meisten von ihnen rekombinieren und verschwinden innerhalb einer Millionstelsekunde. Darüber hinaus führt der Hochtemperatur-Herstellungsprozess oft dazu, dass Sauerstoffatome ihre Position verlassen, wodurch Sauerstoffleerstellen und Elektroneneinfang entstehen, was die Effizienz der photokatalytischen Reaktion verringert“, erklärte Liu Gang.
Um dieses Problem zu lösen, führte das Forschungsteam ein innovatives Nachbarelement von Titan in das Periodensystem ein – Scandium (Sc), um Titandioxid zu verbessern. Die Ergebnisse zeigten, dass Scandium drei wesentliche Vorteile bietet:
Erstens ist der Ionenradius von Sc dem von Ti ähnlich, sodass es in das Kristallgitter eingebettet werden kann, ohne die Struktur zu verzerren.
Zweitens hilft der stabile Valenzzustand von Sc, das durch die Sauerstoffleerstelle verursachte Ladungsungleichgewicht zu neutralisieren.
Drittens können Sc-Ionen die Kristalloberfläche umstrukturieren und eine spezielle Oberflächenstruktur erzeugen, die sozusagen „Autobahnen und Kreuzungen für Elektronen und Elektronenlöcher“ bildet und ihnen hilft, problemlos aus dem Labyrinth zu entkommen.
Dank ausgefeilter Anpassungen gelang es dem Team, ein Titandioxidmaterial mit herausragender Leistung zu entwickeln: Die Fähigkeit zur Absorption ultravioletter Strahlen lag bei über 30 %, die Effizienz der Wasserstofferzeugung unter simuliertem Sonnenlicht stieg im Vergleich zum gleichen Material um das 15-fache und stellte damit einen neuen Rekord in diesem Materialsystem auf.
„Wenn dieses Material zur Herstellung eines 1 Quadratmeter großen photokatalytischen Panels verwendet wird, kann es unter Sonnenlicht etwa 10 Liter Wasserstoffgas pro Tag produzieren“, sagte Liu Gang.
Die Forscher fügten hinzu, dass Titandioxid ein weit verbreitetes anorganisches Material in der Industrie sei. Chinas Produktion betrage mehr als 50 % der weltweiten Produktion und bilde somit eine vollständige Industriekette. Chinas Reserven an dem Seltenerdelement Scandium seien zudem weltweit führend. Dies schaffe einen potenziellen industriellen Vorteil für die zukünftige Entwicklung und Anwendung photokatalytischer Materialien.
Da sich die Effizienz der photovoltaischen Wasserspaltung weiter verbessert, verfügt diese Technologie über das Potenzial für eine Anwendung im industriellen Maßstab und fördert so die Transformation der globalen Energiestruktur.
Quelle: https://baotintuc.vn/khoa-hoc-cong-nghe/trung-quoc-dat-dot-pha-moi-trong-tien-trinh-nghien-cuu-bien-nuoc-thanh-nhien-lieu-20250409112539937.htm
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