Aerogele: ETH-Forscher produzieren mit Licht Wasserstoff
Forscher der ETH haben einen neuen Photokatalysator entwickelt, der eine effizientere Herstellung von Wasserstoff ermöglichen könnte. Basis bilden dabei Aerogele, die mit Stickstoff dotiert und ein Edelmetall enthalten. Bei Tests konnte die Wasserstoffmenge um den Faktor siebzig erhöht werden.
Quelle: Labor für multifunktionale Materialien / ETH Zürich
Aerogele bestehen zu rund 98 Prozent aus Luft. Ein Gramm hat eine Oberfläche von rund 1200 Quadratmetern. Wegen der Eigenschaften könnte das Material der Produktion von Wasserstoff dienen.
Die vom Forscherteam im Labor für
Multifunktionsmaterialien der ETH Zürich verwendeten Aerogele sind aus
vorgefertigten Nanopartikel aufgebaut. Dazu kommt mit der sogenannten
Nanopartikelgelierung ein spezielles Herstellungsverfahren zur Anwendung.
Dieses ermöglicht es, Aerogele aus einer Vielzahl von Materialien herzustellen, was mit dem konventionellen Ansatz nicht möglich ist. Denn herkömmliche Aerogele bestehen meist aus amorphem Siliziumdioxid, welche sich nicht für Katalyseprozesse eignen. Das Feststoffgerüst der ETH-Aerogele setzt sich hingegen aus hochkristallinen Titandioxid-Nanopartikeln zusammen, was die Anwendung in der Photokatalyse überhaupt erst ermöglicht.
Die Spezialität des Labors sind Aerogele aus kristallinen Halbleiter-Nanopartikeln. «Wir sind die einzige Gruppe weltweit, die solche Aerogele in so hoher Qualität herstellen kann», sagt ETH-Professor Markus Niederberger, der seit längerem an den Materialien forscht.
Quelle: Labor für multifunktionale Materialien / ETH Zürich
Das Schema zeigt den Vergleich zwischen dem herkömmlichen Sol-Gel-Verfahren (oben) und dem neuartigen Nanopartikel-basierten Ansatz zur Herstellung von Aerogelen.
Bei der Photokatalyse werden Moleküle mithilfe von Licht
umgewandelt. Ähnlich wie bei der Photosynthese in der Natur
entsteht Energie nur mit Licht. Auf Nanopartikeln basierende
Aerogele können dabei chemische Reaktionen beschleunigen und die
Herstellung von Wasserstoff ermöglichen. Dazu ist allerdings eine Vorbehandlung
der Aerogele erforderlich.
Dotierung mit Stickstoffatomen
Als Material der Wahl für Photokatalysatoren gilt
Titandioxid. Doch die oft als Halbleiter eingesetzte Legierung hat einen
grossen Nachteil: Aus dem Spektrum des Tageslichts kann er lediglich den
UV-Anteil absorbieren, was rund fünf Prozent entspricht. Für industrielle
Anwendungen muss die Photokatalyse jedoch effizient ablaufen und ein breiteres
Spektrum des Lichts nutzen.
Damit eine bessere Ausbeute des Lichts gelingen kann, haben
die Forscherinnen und Forscher Aerogele aus TiO2-Nanopartikeln mit Stickstoff
dotiert. Dadurch werden einzelne Sauerstoff- durch Stickstoffatome ersetzt mit
dem Ergebnis, dass auch weitere Anteile des sichtbaren Lichts absorbiert
werden, wobei mit der Dotierung die Porenstruktur nicht zerstört wird.
Konkret wurde ein Aerogel mit TiO2-Nanopartikeln und geringen Mengen Palladium hergestellt. Das Edelmetall ist für die photokatalytische Herstellung von Wasserstoff wichtig. Um die Stickstoffatome in der Kristallstruktur einzubetten, leitete das Forscherteam in einem Reaktor Ammoniakgas durch das Material.
Quelle: Labor für multifunktionale Materialien / ETH Zürich
Dank ihrer Zusammensetzung und offenporigen Struktur lassen sich Aerogele als lichtgetriebene Katalysatoren einsetzen, um aus Methanol und Wasser mittels Licht Energie zu produzieren, ähnlich wie bei der Photosynthese.
Siebzig Mal mehr Wasserstoff mit neuem Aerogel
Tests in einem speziell entwickelten Reaktor sollten zeigen, inwiefern das veränderte Aerogel die Herstellung von Wasserstoff aus Methanol und Wasser tatsächlich begünstigt und effizienter macht. Dazu wurde im Reaktor ein Gasgemisch aus Wasser- und Methanoldampf durch das Aerogel geleitet, welches mit LED-Leuchten bestrahlt wurde. Das Gasgemisch diffundiert dabei durch den Porenraum des Aerogels.
Das Resultat: An der Oberfläche der Nanopartikel aus TiO2- und Palladium bildete sich Wasserstoff. Die Reaktion lief in diesem Testsystem stabil und kontinuierlich ab. Der Versuch wurde jedoch nach fünf Tagen abgebrochen, obwohl der Prozess laut dem Forscherteam wohl noch längere Zeit stabil abgelaufen wäre.
Lange und stabile Reaktionen sind vor allem im Hinblick auf mögliche industrielle Anwendungen wichtig. Auch mit der Ausbeute sind die Forschenden zufrieden, wobei das Edelmetall Palladium die Umwandlungseffizienz deutlich erhöht hat. In Aerogelen mit Palladium entstand bis zu siebzig Mal mehr Wasserstoff als in Materialien ohne das Edelmetall.
Quelle: Labor für multifunktionale Materialien / ETH Zürich
Titandioxid-Nanopartikel bilden ein hochporöses und feinverzweigtes Gerüst. Um die Aktivität des Photokatalsators zu erhöhen, werden je nach Anwendung unterschiedliche Co-Katalysatoren in das Titandioxid-Netzwerk eingebettet (Aufnahme mit dem Rasterelektronenmikroskop).
Weitere Forschungen bei Gasfluss und Bestrahlung
Das Experiment diente in erster Linie als Machbarkeitsstudie. Photokatalysatoren aus Aerogelen sind somit eine neue Klasse von Materialien, die chemische Reaktionen beschleunigen können, so das Fazit der Forscherinnen und Forscher. Mit Photokatalysatoren liesse sich Wasserstoff nur mit Licht herstellen und ohne Elektrizität wie bei der herkömmlichen Elektrolyse. Die aussergewöhnliche dreidimensionale Struktur bietet neben der Wasserstoffproduktion weitere Möglichkeiten für Gasphasenreaktionen.
Ob das auf diese Weise veredelte Aerogel jemals im Grossmassstab zum Einsatz kommt, ist aber noch ungewiss. Um ein solches System industriell betreiben zu können, braucht es noch zusätzliche Forschungen, dazu gehören eine optimierte Bestrahlung und ein verbesserter Gasdurchfluss. Derzeit behindern die extrem kleinen Poren den Gasfluss noch zu stark.
Die Studie über die Forschungen an der ETH ist in der Fachzeitschrift «Applied Materials & Interfaces» erschienen.
