Neuer Nanokatalysator zur Wasserstoffgewinnung

E-Fuel bald billiger?

Forscher aus Cordoba, Madrid und Moskau haben möglicherweise eine wichtige Entdeckung gemacht: Wasserstoffproduktion mit Licht unter Einwirkung von  Katalysatoren mit Ruthenium-Nanopartikeln. Allerdings war einem Artikel auf Phys.org zufolge Rafael Luque (ebenfaklls Cordoba) an der russischen Universität der Völkerfreundschaft in Moskau (RUDN) der erste, der mit Ruthenium-Nanopartikel-Katalysatoren unter dem Einfluss von sichtbarem Licht und UV-Strahlung Wasserstoff herstellte. In Zukunft können solche Katalysatoren für die großtechnische Herstellung von Wasserstoffkraftstoff unter dem Einfluss von Sonnenlicht eingesetzt werden. Die Ergebnisse der Studie wurden in Applied Catalysis B: Environmental publiziert.

Spanier und Russen testeten eine Reihe verschiedener Rutheniumkatalysatoren mit reinem Anatas-Titanoxid als Träger für die Produktion von Wasserstoff aus Methanol-Wasser-Gemischen unter UV- und sichtbaren Beleuchtungsbedingungen. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie unter dem Titel: “Enhancing photocatalytic performance of TiO2 in H2 evolution via Ru co-catalyst deposition” (Verbesserung der photokatalytischen Leistung von TiO2 in der H2-Entwicklung mittels Ru-Cokatalysator-Abscheidung).

[note Aus dem Abstract: Katalysatoren mit 1, 2, 3 und 5 Gewichtsprozenten Ruthenium wurden einer Charakterisierungsstudie mit Hilfe von Röntgenbeugung, Raman, Röntgen-Photoelektronenspektroskopie, Photolumineszenz, Morphologie sowie Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie unterzogen. Durch die Messung der optischen Eigenschaften der Suspension der Katalysatoren und der Reaktionsgeschwindigkeit der Wasserstoff-Lichtproduktion berechnen wir die wahre Quanteneffizienz. Die optimale Aktivität wird durch den Katalysator mit einer 3 Gew.-%igen Ru-Komponente erreicht, die Quantenwirkungsgrade von ca. 3,1 bzw. 0,6% unter UV- und sichtbarem Licht aufweist. Die sorgfältige Untersuchung der physikalisch-chemischen Eigenschaften des Festkörpers ermöglicht es, eine Korrelation zwischen der freiliegenden Rutheniumoberfläche und der Quanteneffizienz herzustellen. Die Auswirkungen eines solchen Ergebnisses auf die chemische Aktivität der rutheniumgestützten Proben werden sowohl für UV- als auch für sichtbare Beleuchtungsbedingungen diskutiert.]

Umweltfreundliche Photochemie

Photochemische Reaktionen gehören zu den umweltfreundlichsten Methoden, “grünen Kraftstoff” herzustellen: Die Erwärmung der Rohstoffe verbraucht nicht viel Energie und erfordert keinen hohen Druck. Zur Aufrechterhaltung der Reaktionsgeschwindigkeit braucht es nur Licht und Photokatalysatoren. Photokatalysatoren auf Basis von Platin, Gold und Palladium sind bei photochemischen Reaktionen wie der Wasserstoffgewinnung aus Biomasse-Derivaten wie Alkoholen hocheffizient. Diese Metalle sind jedoch teuer, und Wissenschaftler suchen nach billigeren Photokatalysatoren.

Bisher wurden nur selten Systeme aus Titandioxid und Ruthenium eingesetzt. Daher war es wichtig, ihre Zusammensetzung und optischen Eigenschaften zu charakterisieren, einschließlich der Quanteneffizienz. Diese gibt die Lichtempfindlichkeit eines Materials an – sie wird als Verhältnis aus der Anzahl der die Bildung freier Elektronen in einem Material verursachenden und der Gesamtzahl der absorbierten Photonen berechnet. Das ist der wichtigste Parameter, um die photokatalytische Aktivität von Substanzen zu vergleichen.

Die Experimente haben gezeigt, dass die Aktivität von rutheniumhaltigen Photokatalysatoren unter UV-Strahlung mit Platin- und Palladiumanaloga vergleichbar ist. Die Quanteneffizienz von Verbindungen auf Platin- oder Palladiumbasis, die auf der Grundlage anderer Studien berechnet wurde, liegt zwischen 1,9 Prozent und 5,1 Prozent, und die Ergebnisse von Ruthenium-Photokatalysatoren bleiben in diesem Bereich. Der beste Wert (3,1 Prozent) wurde für das System mit 3 Prozent Rutheniumgehalt berechnet. In Anbetracht der Billigkeit von Rutheniumkatalysatoren sind sie vielversprechend für den industriellen Einsatz. Die Aktivität von Rutheniumkatalysatoren unter sichtbarem Licht war recht gering – die Quanteneffizienz lag bei nicht mehr als 0,6 Prozent, aber die Autoren erwarten, dass sie unter Sonnenlicht auf 1,1 Prozent ansteigen wird. Die Wissenschaftler haben bereits damit begonnen, diese Hypothese zu überprüfen.

“Unsere Katalysatoren auf Basis von Titandioxid und Ruthenium schienen universelle Systeme zu sein und halfen uns, Wasserstoff in ausreichender Menge sowohl unter dem Einfluss von UV-Licht als auch von sichtbarem Licht zu gewinnen”, erklärt Raphael Luque, Direktor des Zentrums für molekulares Design und Synthese innovativer Verbindungen für die Medizin und Gastwissenschaftler an der RUDN und Leiter der Arbeitsgruppe Nanochemie und Biomasse-/Abfallverwertung an der Universität von Cordoba. “Nachdem wir die Reaktion zwischen Licht und Substanz modelliert und die Quanteneffizienz aller unserer Proben berechnet hatten, haben wir erkannt, dass die Schlüsselrolle in der Aktivität des Katalysators durch die Wechselwirkung zwischen Ruthenium- und Titandioxidpartikeln lag, insbesondere durch die Konzentration der Rutheniumpartikel und möglicherweise ihrer Verbindungen mit Sauerstoff auf der Oberfläche des Materials. Der genaue Mechanismus dieses Phänomens ist noch nicht bekannt. Wir setzen unsere Studien fort und experimentieren derzeit in Spanien und Russland mit der Gewinnung von Wasserstoff unter Sonneneinstrahlung.”

->Quelle und mehr: