H2-Produktion: Ultradünnes Material erzeugt effizient Wasserstoff
In einer Arbeit der Universität Tohoku(öffnet im neuen Fenster) (Japan) und der Vietnamesischen Nationaluniversität werden zweidimensionale Materialien untersucht und verglichen, die trotz einer Dicke von wenigen Atomen auf beiden Seiten verschiedene Eigenschaften aufweisen. Die Kombination zweier dieser Schichten ergibt eine Folie, die über 16 Prozent der Energie des einstrahlenden Sonnenlichts für die Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff nutzen kann.
Laut dem Forschungsteam ist das mehr als bei vielen Materialien, die sich ähnlich verhalten. Deren Wirkungsgrad liegt üblicherweise unter 15 Prozent. Zudem fällt der Materialeinsatz laut der Studie, die in Applied Energy Materials(öffnet im neuen Fenster) erschienen ist, minimal aus.
Ähnlich effizient wäre es, den Strom aus Photovoltaik in einen Elektrolyseur zu speisen, um Wasser aufzuspalten. Gleichzeitig ist der technische Aufwand hierfür vielfach höher.
Unterschiede kombiniert
Bei den beiden Schichten handelt es sich um Chalkogenide, also Verbindungen mit Elementen der Sauerstoffgruppe, genauer mit Schwefel und Selen. Einmal ist Wolfram der Verbindungspartner, einmal Molybdän.
Durch die jeweils vorhandenen Dipole werden zwischen beiden Schichten elektrische Felder erzeugt. Diese verhindern, dass sich die Elektronen-Loch-Paare, die durch Lichteinfall erzeugt werden, wieder verbinden.
Stattdessen wird die photokatalytische Eigenschaft der Folie verstärkt, was die Wasserstoffbindung im Wassermolekül schwächt und zu einer effizienten Aufspaltung führt.
Zahlreiche Versuche
Insgesamt 20 Kombinationen aus diesen zweidimensionalen Materialien wurden untersucht, die wegen der unterschiedlichen Eigenschaften auf beiden Seiten auch als janus-heterozweilagig bezeichnet werden. Angelehnt ist der Name an die mythologische Figur Janus, die den Zusammenhang von Schöpfung und Zerstörung symbolisiert.
Laut Erstautor Nguyen Tran Gia Bao verhält es sich bei der Kombination der Schichten wie beim Bauen mit Lego. Anders zusammengesteckt komme immer wieder etwas Neues heraus. Allerdings waren aufwendige Berechnungen nötig, um aus der Vielzahl an Kombinationsmöglichkeiten der unterschiedlichen Molekülverbindungen die vielversprechendsten herauszufiltern.