Durchbruch bei der Erzeugung von grünem Wasserstoff: neuer Photokatalysator von Forschern der Oregon State University

BerlinWissenschaftler der Oregon State University haben ein neues Material entwickelt, das effizient saubere Energie aus Sonnenlicht und Wasser erzeugen kann. Dieses Material dient als Fotokatalysator zur Herstellung von Wasserstoff. Wasserstoff ist entscheidend für Brennstoffzellen in Autos, die Herstellung von Chemikalien wie Ammoniak, die Veredelung von Metallen und die Produktion von Kunststoffen. Diese Entdeckung könnte eine vielversprechende neue Methode sein, um Treibhausgasemissionen zu reduzieren und den Klimawandel zu bekämpfen.

Kyriakos Stylianou und sein Team am OSU College of Science erforschen Metall-organische Gerüststrukturen (MOFs). Diese Materialien haben winzige Poren, die für verschiedene Anwendungen angepasst werden können. MOFs bestehen aus Metallionen, die durch organische Moleküle verbunden sind.

In dieser Studie nutzte das Team:

• Rutheniumoxid
• Titaniumoxid
• Schwefel- und Stickstoffdotierung

um ein Heteroübergang zu schaffen – eine Kombination zweier Materialien mit sich ergänzenden Eigenschaften. Dies verbessert die Fähigkeit des Photokatalysators, Wasser unter Lichteinwirkung in Wasserstoff zu spalten. Sie nennen dieses neue Material RTTA.

Durch Tests verschiedener Typen von RTTAs mit unterschiedlichen Oxidmengen fanden sie heraus, dass RTTA-1 am effektivsten war. RTTA-1, das die geringste Menge an Rutheniumoxid enthält, produzierte Wasserstoff am schnellsten und hatte eine hohe Quantenausbeute. In einer Stunde erzeugte ein Gramm RTTA-1 mehr als 10.700 Mikromol Wasserstoff.

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Stylianou erklärte, dass RTTA-1 hervorragend funktioniert, da die Eigenschaften der Metalloxide und die Oberflächenmerkmale des ursprünglichen MOF effektiv zusammenspielen. Diese neue Methode kann die Wasserstoffproduktion nachhaltiger und effizienter gestalten.

Die Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser mit diesem neuen Photokatalysator ist umweltfreundlicher als die Nutzung von Erdgas. Üblicherweise wird Wasserstoff durch Methan-Dampfreformierung hergestellt, wobei Kohlendioxid freigesetzt wird. Die neue Methode setzt auf Sonnenenergie und ist somit eine ökologischere Alternative.

Die Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrokatalyse erfordert das Durchleiten von Strom durch einen Katalysator, muss jedoch auf erneuerbare Energien setzen, um nachhaltig zu sein. Zudem müssen die Kosten konkurrenzfähig mit der Methan-Dampfreformierung sein, die ungefähr 1,50 Dollar pro Kilogramm Wasserstoff produziert, im Vergleich zu den 5 Dollar pro Kilogramm bei grünem Wasserstoff.

Stylianou erläuterte, dass Wasser eine reichliche Quelle für Wasserstoff darstellt und dass wir Sonnenlicht nutzen können, um Wasserstoff durch Photokatalyse zu erzeugen. Obwohl Rutheniumoxid teuer ist, stellt die geringe Menge, die für RTTA-1 erforderlich ist, kein großes Problem für die industrielle Nutzung dar. Wenn der Katalysator stabil und zuverlässig bleibt, wird die hohe Kosten von Rutheniumoxid weniger relevant.

Die Forschung wurde durch die College of Science und das Department of Chemistry der OSU sowie durch die pensionierten Lehrer und OSU-Alumni Brian und Marilyn Kleiner finanziert. Das Projekt, das in Angewandte Chemie veröffentlicht wurde, wurde von den Graduiertenstudenten Emmanuel Musa, Ankit Yadav und Kyle Smith geleitet. Zum Team gehörten außerdem Professor Xiulei „David“ Ji, der Leiter der Elektronenmikroskopie-Einrichtung Peter Eschbach, Postdoktorand Min Soo Jung und der Gastdozent William Stickle.