Das Titanoxidmaterial von Drexel lässt Sonnenlicht die Produktion von grünem Wasserstoff vorantreiben

Aug 18, 2023

Pläne für saubere Energie, darunter die „Clean Hydrogen Road Map“ des US Infrastructure Investment Act, setzen auf Wasserstoff als Kraftstoff der Zukunft. Doch die aktuelle Technologie zur Wasserstofftrennung bleibt immer noch hinter den Effizienz- und Nachhaltigkeitszielen zurück. Im Rahmen der laufenden Bemühungen, Materialien zu entwickeln, die alternative Energiequellen ermöglichen könnten, haben Forscher am College of Engineering der Drexel University ein Titanoxid-Nanofilamentmaterial hergestellt, das Sonnenlicht nutzen kann, um das Potenzial des allgegenwärtigen Moleküls als Kraftstoffquelle zu erschließen.

Die Entdeckung bietet eine Alternative zu aktuellen Methoden, die Treibhausgase erzeugen und viel Energie benötigen. Die Photokatalyse, ein Prozess, bei dem Wasserstoff nur mithilfe von Sonnenlicht aus Wasser gespalten werden kann, wird seit mehreren Jahrzehnten erforscht, ist jedoch noch eine weiter entfernte Überlegung, da die Katalysatormaterialien, die den Prozess ermöglichen, ihn nur ein oder zwei Tage überleben können, was seine Langzeitwirkung einschränkt. langfristige Effizienz und damit auch die wirtschaftliche Rentabilität.

Drexels Gruppe unter der Leitung der Forscher des College of Engineering, Michel Barsoum, Ph.D., und Hussein O. Badr, Ph.D., berichtete kürzlich in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des Nationalen Instituts für Materialphysik in Bukarest, Rumänien, über die Entdeckung eines photokatalytischen, auf Titanoxid basierenden Produkts -dimensionales Nanofilamentmaterial, das dem Sonnenlicht dabei helfen kann, über Monate hinweg Wasserstoff aus Wasser zu gewinnen. Ihr in der Zeitschrift Matter veröffentlichter Artikel „Photostabile 1D-Nanofilamente auf TiO2-Basis mit Lepidokrozit für die photokatalytische Wasserstoffproduktion in Wasser-Methanol-Mischungen“ stellt den Autoren zufolge einen nachhaltigen und erschwinglichen Weg zur Herstellung von Wasserstoffbrennstoff dar.

„Unser eindimensionaler Titanoxid-Nanofilament-Photokatalysator zeigte eine wesentlich höhere Aktivität – um eine Größenordnung – als sein kommerzielles Titanoxid-Pendant“, sagte Badr. „Darüber hinaus wurde festgestellt, dass unser Photokatalysator sechs Monate lang in Wasser stabil ist – diese Ergebnisse stellen eine neue Generation von Photokatalysatoren dar, die endlich den lang erwarteten Übergang von Nanomaterialien vom Labor in den Markt einleiten kann.“

Barsoums Gruppe entdeckte von Hydroxiden abgeleitete Nanostrukturen (HDNs) – die Familie der Titanoxid-Nanomaterialien, zu der das photokatalytische Material gehört – vor zwei Jahren, als sie an einem neuen Verfahren zur Herstellung von MXene-Materialien arbeitete, das Drexel-Forscher derzeit für eine Reihe von Untersuchungen untersuchen von Anwendungen. Anstatt die standardmäßige ätzende Flusssäure zu verwenden, um die geschichteten zweidimensionalen MXene aus einem Material namens MAX-Phase chemisch herauszuätzen, verwendete die Gruppe eine wässrige Lösung einer üblichen organischen Base, Tetramethylammoniumhydroxid.

Aber anstatt ein MXen zu produzieren, erzeugte die Reaktion dünne, faserige Stränge auf Titanoxidbasis – das Team stellte fest, dass sie die Fähigkeit besitzen, die chemische Reaktion zu erleichtern, bei der Wasserstoff aus Wassermolekülen abgespalten wird, wenn sie Sonnenlicht ausgesetzt werden.

„Titanoxid-Materialien haben bereits früher photokatalytische Fähigkeiten gezeigt, daher war es ein natürlicher Teil unserer Arbeit, unsere neuen Nanofilamente auf diese Eigenschaft zu testen“, sagte er. „Aber wir hatten nicht damit gerechnet, dass sie nicht nur photokatalytisch wirken, sondern auch äußerst stabile und produktive Katalysatoren für die Wasserstoffproduktion aus Wasser-Methanol-Gemischen sind.“

Die Gruppe testete fünf Photokatalysatormaterialien – Titanoxid-basierte HDNs, die aus verschiedenen kostengünstigen und leicht verfügbaren Vorläufermaterialien abgeleitet wurden – und verglich sie mit dem Titanoxidmaterial P25 von Evonik Aeroxide, das weithin als das Photokatalysatormaterial gilt, das der kommerziellen Realisierbarkeit am nächsten kommt .

Jedes Material wurde in eine Wasser-Methanol-Lösung getaucht und ultraviolettem-sichtbarem Licht ausgesetzt, das von einer abstimmbaren Beleuchtungslampe erzeugt wurde, die das Spektrum der Sonne nachahmt. Die Forscher maßen sowohl die erzeugte Wasserstoffmenge und die Aktivitätsdauer in jeder Reaktorbaugruppe als auch die Anzahl der Photonen des Lichts, die bei der Wechselwirkung mit dem Katalysatormaterial Wasserstoff erzeugten – eine Messgröße zum Verständnis der katalytischen Effizienz jedes Materials.

Sie fanden heraus, dass alle fünf HDN-Photokatalysatoren auf Titanoxidbasis Sonnenlicht effizienter zur Erzeugung von Wasserstoff nutzen als das P25-Material. Eines davon, abgeleitet aus binärem Titancarbid, ist zehnmal effizienter als P25, wenn es darum geht, Photonen die Abspaltung von Wasserstoff aus dem Wasser zu ermöglichen.

Das Team berichtet, dass diese Verbesserung an sich schon ziemlich bedeutend sei, aber ein noch bedeutsamerer Befund sei, dass das Material auch nach mehr als 180 Tagen Einwirkung des simulierten Sonnenlichts aktiv blieb.

„Die Tatsache, dass unsere Materialien in Wasser-Methanol-Mischungen möglicherweise über längere Zeiträume thermodynamisch stabil und photochemisch aktiv zu sein scheinen, kann nicht genug betont werden“, sagte Badr. „Da unser Material nicht kostspielig herzustellen, leicht zu vergrößern und unglaublich stabil in Wasser ist, lohnt es sich, seine Anwendungen in verschiedenen photokatalytischen Prozessen zu untersuchen.“

Der nächste Forschungsschritt besteht darin, besser zu verstehen, warum sich das Material so verhält, damit es als Photokatalysator weiter optimiert werden kann. Die aktuelle Theorie des Teams geht davon aus, dass die eindimensionale Natur und die theoretisch große Oberfläche des Materials zu seiner anhaltenden Aktivität beitragen, es sind jedoch weitere Tests erforderlich, um diese Vorschläge zu bestätigen.

Die Gruppe arbeitet neben Methanol auch daran, andere Zusatzstoffe zu finden, die als „Lochlöscher“ dienen können – Chemikalien, die verhindern, dass die Wasserspaltungsreaktion ihren Verlauf umkehrt, was aufgrund der etwas chaotischen Natur photokatalytischer Reaktionen häufig vorkommt.

Die Ergebnisse sind so vielversprechend, dass die Gruppe rund um die Technologie ein Startup für grünen Wasserstoff gegründet hat und mit dem Drexel Office of Innovation und dem Innovation Corps der National Science Foundation zusammenarbeitet, um die Kommerzialisierung voranzutreiben.

„Wir sind sehr gespannt auf die Möglichkeiten dieser Entdeckung“, sagte Barsoum. „Die Welt braucht massiv neue saubere Brennstoffe, die fossile Brennstoffe ersetzen können. Wir glauben, dass dieses Material das Potenzial von grünem Wasserstoff erschließen kann.“

Darüber hinaus erforscht die Gruppe eine Reihe anderer Anwendungen für HDNs, darunter deren Verwendung in Batterien, Solarzellen, Wasseraufbereitung und medizinischen Behandlungen. Ihre Fähigkeit, einfach und sicher in großen Mengen hergestellt zu werden, unterscheidet HDNs von anderen Nanomaterialien, was ihnen laut Badr vielfältige Einsatzmöglichkeiten eröffnet.

„Unsere HDNs-Nanostrukturfamilie beeindruckt weiterhin die sehr unterschiedlichen Gemeinschaften, mit denen wir zusammenarbeiten. Diese Titanoxid-Nanofilamente können für zahlreiche Anwendungen verwendet werden, darunter Wasserreinigung, Farbstoffabbau, Perowskit-Solarzellen, Lithium-Ionen- und Lithium-Schwefel-Batterien, Harnstoffdialyse und Brustkrebstherapie und vieles mehr.“

Diese Forschung wurde von der National Science Foundation und dem rumänischen Ministerium für Forschung, Innovation und Digitalisierung unterstützt.

Zusätzlich zu Barsoum und Badr, Varun Natu und Matthew Racey aus Drexel; und Stefan Neatu, Florentina Neatu, Andrei Kuncser, Arpad M. Rostas und Mihaela Florea vom Nationalen Institut für Materialphysik in Rumänien haben zu dieser Forschung beigetragen.

Lesen Sie den vollständigen Artikel hier: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2590238523002448#preview-section-references

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