Halbleiter-Nanokristalle helfen bei der Herstellung von Wasserstoff als Brennstoff

Photosynthese
Photosynthese ist der Prozess der Umwandlung von Sonnenstrahlung in grüne Energie, um Zucker zu produzieren, den die Zellatmung von Pflanzen, Bakterien und einigen Protistanen grün in ATP umwandelt.
Künstliche Photosynthese
Künstliche Photosynthesesysteme, die lichtabsorbierende Moleküle oder Chromophore, typischerweise aus organischen Farbstoffen, nutzen, um Wasser durch Halbreaktionen mit Reduktions- und Oxidationsprozessen photochemisch in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Aber die lichtabsorbierenden Farbstoffe werden durch die Sonnenstrahlen beschädigt und der Prozess ist ineffizient und instabil.
Forscher der University of Rochester, USA, haben Wasserstoff mit Nanokristallen, Sonnenlicht und einem billigen Nickelkatalysator erzeugt, der kontinuierlich Kraftstoff produzieren kann, ohne verlangsamt.
Nanokristalle
Nanokristalle haben aufgrund ihrer begrenzten Größe weniger Defekte. Nanokristalle haben ein sehr geringes Innenvolumen und sind praktisch alle oberflächlich und die inneren Verunreinigungen können leicht die kurze Strecke an die Oberfläche wandern und durch Dotierung ausgestoßen werden. Dotierung ist die Zugabe von Verunreinigungen, die Elektronen enthalten, um eine kontrollierte elektrische Leitfähigkeit zu ermöglichen. Die physikalischen Eigenschaften dieser Kristalle werden durch die Grenzfläche zwischen Kern und Hülle bestimmt.
Auf der Nanoskala könnte die Dotierung zu einer Reihe von Technologien führen, darunter Solarzellen, Leuchtdioden, Laser oder Displays, Elektrolumineszenzvorrichtungen und elektronische Geräte.
Das System
Künstliches photochemisches Wasserstofferzeugungssystem enthält Cadmiumselenid-Quantenpunkte, Nickelsalz-Katalysatoren und Ascorbinsäure. Das System hat bei der Arbeit mit Wasser eine Quanteneffizienz von 36% pro 100 absorbierten Photonen und produziert 36 Wasserstoffmoleküle. Bei einer Lösung aus einem Wasser-Ethanol-Gemisch steigt die Effizienz auf 66%. Die Ascorbinsäure fungiert als Elektronendonator, wird verbraucht und muss bei jedem Wasserstoffproduktionszyklus regelmäßig nachgefüllt werden.
Arbeiten
Die Forscher erklären, dass CdSe-Quantenpunkte zwei Lichtphotonen absorbieren und zwei Elektronen auf den Ni-Katalysator übertragen, wodurch dieser zwei Protonen aufnehmen kann, um Wasserstoff zu erzeugen, indem lokal aus den Quantenpunktliganden der erforderliche Katalysator gebildet wird. Die Katalysator-Nanokristall-Paare sind besser als andere künstliche Photosynthese-Nanopartikelsysteme, da sie gegenüber Sonnenlicht stabiler sind.
Anwendungen
Die Erkenntnis könnte für grüne Energieanwendungen und auch für bestimmte industrielle Prozesse wie die der Ammoniakherstellung im Haber-Verfahren sehr wichtig sein.