Aufdeckung der wahren Rolle von Metallococatalysatoren in der Photokatalyse zur Wasserstoffproduktion

BerlinForscher unter der Leitung von Toshiki Sugimoto haben mithilfe der operando FT-IR-Spektroskopie mit einem Michelson-Interferometer das Verhalten von Photokatalysatoren während der Wasserstoffproduktion untersucht. Sie fanden heraus, dass Elektronen, die an den Rändern der Katalysatoren gefangen sind, eine entscheidende Rolle im Prozess spielen, und nicht die freien Elektronen in den Metallteilen der Katalysatoren. Diese Entdeckung stellt bisherige Annahmen darüber, wie Photokatalyse funktioniert, in Frage.

Seit der Entdeckung der photoelektrochemischen Wasserstoffentwicklung im Jahr 1972 beschäftigen sich Wissenschaftler mit heterogener Photokatalyse. Um effizientere Katalysatoren für die Wasserstoffproduktion zu entwickeln, ist es essenziell, die reaktiven Elektronenarten und aktiven Zentren während der photokatalytischen Reduktionsreaktionen zu verstehen. Die Detektion und Isolation der Signale dieser photoangeregten reaktiven Elektronen gestaltet sich jedoch schwierig. Oft werden die schwächeren Signale der reaktiven Elektronen durch starke Hintergrundsignale verdeckt, die von nicht reaktiven Elektronen stammen, welche durch Wärme angeregt werden.

Wissenschaftler am Institut für Molekularwissenschaften und SOKENDAI haben einen bedeutenden Durchbruch erzielt. Durch die Synchronisierung von lichtangeregten Reaktionen in Photokatalysatoren mit einem Michelson-Interferometer konnten sie Signale von nicht reagierenden Elektronen ignorieren. Dadurch war es möglich, die Elektronen, die bei der Wasserstoffproduktion helfen, deutlich zu erkennen.

Wesentliche Ergebnisse umfassen:

• Metallkatalysatoren dienen nicht als Speicher für reaktive photogenerierte Elektronen.
• Freie Elektronen in Metallkatalysatoren sind nicht direkt an der Reduktionsreaktion beteiligt.
• Metallinduzierte Oberflächenzustände im Halbleiter, besonders an den Rändern, sind entscheidend für die photokatalytische Wasserstoffentwicklung.

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Vom KI-Hype zu echten Erfolgskriterien wechseln

Diese Entdeckung verändert unser Verständnis der Rolle von Metallkokatalysatoren in der Photokatalyse und bietet eine neue Methode zur Gestaltung von Metall/Oxid-Grenzflächen zur Wasserstoffproduktion ohne Hitze. Die potenziellen Vorteile sind enorm. Dies könnte zu besseren Katalysatordesigns führen, die die neu erkannte Bedeutung von In-Gap- und Oberflächenzuständen nutzen. Zudem könnte die neue Infrarotspektroskopiemethode, die während der Reaktionen eingesetzt wird, auch auf andere licht- oder strombetriebene Systeme angewendet werden.

Neue Erkenntnisse in der Photokatalyse betonen nun die Relevanz von Oberflächeneigenschaften und lokalen elektronischen Strukturen, anstatt lediglich die allgemeinen Materialeigenschaften zu betrachten. Zustände, die durch Metalle nahe der Oberfläche von Halbleitern hervorgerufen werden, können die Reaktionen und deren Effizienz erheblich beeinflussen. Diese detaillierte Betrachtung kann dazu beitragen, präzisere und effektivere Katalysatoren für nachhaltige Energie zu entwickeln.

Der Einsatz der synchronisierten FT-IR Spektroskopie könnte unsere Herangehensweise an das Studium und das Verständnis verschiedener Katalyseprozesse revolutionieren. Dadurch könnten Faktoren identifiziert werden, die die Leistung von Katalysatoren verbessern und somit zur Entwicklung umweltfreundlicher Energielösungen für die Zukunft beitragen.

Die Ergebnisse zeigen einen Fortschritt hin zu präziserer Kontrolle von Katalysatoroberflächen. Dieser Durchbruch bringt die Wissenschaft dem Ziel, Wasserstoff als nutzbare und umweltfreundliche Energiequelle einzusetzen, näher.