Wissenschaftlerinnen der Universität Paderborn erforschen Kohlenstoffmaterialen für die Photokatalyse
Kohle, Gas, Erdöl: Der Einsatz fossiler Brennstoffe geht zurück. Saubere Energie, gewonnen aus regenerativen Quellen, löst die umweltbelastende Konkurrenz Stück für Stück ab. Um in der Breite eingesetzt werden zu können, müssen die Energiequellen erschwinglich und vor allem verfügbar sein. Als besonders geeignet für verschiedene Anwendungen hat sich in den vergangenen Jahren Wasserstoff herausgestellt. Allerdings ist dessen Produktion aktuell zu einem Großteil auf fossile Brennstoffe ausgelegt. Um das zu ändern, untersuchen Wissenschaftlerinnen der Universität Paderborn in einem neuen Forschungsprojekt, wie Wasserstoff auf Basis von Solarenergie mithilfe bestimmter Kohlenstoffmaterialien gewonnen werden kann – rundum grün also. Das Vorhaben mit dem Titel „C2-SPORT“ (für „Carbon Composites as Direct Z-Scheme Photocatalysts for Overall Water Splitting”) wird als Teil des hauseigenen Wissenschaftskollegs der Universität Paderborn mit rund 20.000 Euro gefördert.
„Durch die Nutzung von Sonnenlicht zur Wasserspaltung in Wasserstoff und Sauerstoff kommen wir der Idealvorstellung einer rentablen und umweltfreundlichen Energiequelle einen großen Schritt näher“, erklärt Jun.-Prof. Dr. Maria Nieves López Salas vom Department Chemie der Universität Paderborn, die das Vorhaben zusammen mit Dr. Ying Pan, ebenfalls vom Department Chemie, umsetzt. Ihr Konzept basiert auf dem sogenannten „direkten Z-Schema“, einer Methode, die von der natürlichen Photosynthese inspiriert ist. Dabei geht es – vereinfacht ausgedrückt – um die Kombination zweier Halbleitertypen. Das Besondere daran ist, dass es die Stärken beider Typen zusammenführt, was zu einer bisher unerreichten Effizienz der Wasserspaltung führt. López Salas erklärt: „Die Halbleiter-basierte fotokatalytische Wasserspaltung, die Solarenergie nutzt, um Wasserstoff und Sauerstoff auf Basis von Wasser zu produzieren, hat sich als vielversprechende Lösung erwiesen, um Energie- und Umweltprobleme anzugehen.“ Aber noch gibt es Hürden: Zum Beispiel ist es äußerst schwierig, Wasser mit nur einem Katalysator-Material vollständig in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. „Bei fotokatalytischen Reaktionen arbeiten Lichtabsorption, Ladungsträgertrennung und Oberflächenreaktionen der Katalysatoren zusammen, um aus Sonnenlicht Wasserstoff zu erzeugen. Für eine hohe Leistung müssen diese Katalysatoren u. a. Licht gut absorbieren und Ladungen effizient trennen“, fährt López Salas fort. Aktuell verfügbare Halbleiter, die nur aus einem Material bestehen, können diesen Anforderungen nur schwer gerecht werden.
Kohlenstoffhaltige Halbleiter könnten eine interessante Option für Z-Schema-Photokatalysatorsysteme sein. Ein Grund dafür ist, dass sie eine gute photokatalytische Aktivität aufweisen und leichter sind als andere Materialien wie etwa Titandioxid. Außerdem sind sie günstiger, zuverlässig und auf der Erde reichlich vorhanden. Geeignete Strategien, die es zu erforschen gilt, könnten sie zu hervorragenden Kandidaten für die Wasserstoffproduktion machen. Pan hält fest: „Das Verständnis wird einen bedeutenden Einfluss auf die Suche nach Technologien zur Umwandlung von Solar- in Wasserstoffenergie haben. Es kann die Basis für extrem effiziente Katalysatoren und ein großer Schritt in Richtung neuer Geräte zur künstlichen Photosynthese sein.“
Das Vorhaben wird ab April kommenden Jahres im Rahmen des Paderborner Wissenschaftskollegs gefördert. Ziel ist es, durch interdisziplinäre Forschungsvorhaben und internationale Kooperationen neue Forschungsimpulse an der Universität Paderborn zu setzen. Die Ausschreibung ist themenoffen und richtet sich an Wissenschaftler*innen ab der Postdoc-Phase. Das Wissenschaftskolleg bietet die Möglichkeit, gemeinsam mit Kolleg*innen ausländischer Universitäten oder Forschungseinrichtungen international ausgerichtete Forschungsvorhaben durchzuführen. Bei „C2-Sport“ sind Gastwissenschaftlerinnen von Universitäten in Australien und China an dem Vorhaben beteiligt.
