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Umweltfreundliche Nanopartikel für die künstliche Photosynthese

Quantenpunkte aus Indiumphosphid und Zinksulfid mithilfe von Sonnenlicht

makamuki0; pixabay.com; CC0

02.10.2018: UZH-Forschende haben neuartige Nanopartikel für die künstliche Photosynthese entwickelt: sogenannte Quantenpunkte aus Indiumphosphid und Zinksulfid. Mithilfe von Sonnenlicht generieren diese Teilchen aus Wasser und Sonnenlicht Wasserstoff – einen nachhaltigen Energieträger. Diese leistungsstarken Quantenpunkte aus umweltfreundlichen Stoffen stehen nun erstmals für photokatalytische Prozesse zur Verfügung.

Quantenpunkte sind kleine Alleskönner. Es sind wenige Nanometer grosse Materialstrukturen, die sich ähnlich verhalten wie Atome oder Moleküle. Form, Grösse und Anzahl der Elektronen von Quantenpunkten lassen sich gezielt beeinflussen. Die elektronischen und optischen Eigenschaften der Nanopartikel können so optimal für die jeweiligen Einsätze angepasst werden: etwa für neue Displaytechnologien, biomedizinische Anwendungen sowie die moderne Photovoltaik und Photokatalyse.

Treibstoffherstellung aus Sonnenlicht und Wasser

Ein weiteres Anwendungsgebiet zielt darauf ab, Wasserstoff direkt aus Wasser und Sonnenlicht zu erzeugen. Wasserstoff ist ein sauberer und effizienter Energieträger und lässt sich in gängige Treibstoffe wie Methanol und Benzin umwandeln. Die vielversprechendsten Typen von Quantenpunkten, die bisher in der Energieforschung verwendet werden, enthalten Cadmium, das wegen seiner Giftigkeit aus vielen Verbrauchsgütern verbannt wurde. Nun hat das Team von Greta Patzke, Professorin am Institut für Chemie der Universität Zürich (UZH), zusammen mit Forschenden der Southwest Petroleum University in Chengdu und der Chinese Academy of Sciences neuartige Nanoteilchen ohne toxische Elemente für die Photokatalyse entwickelt.

Indiumhaltige Kerne mit dünner Sulfid-Schicht

Die etwa drei Nanometer grossen Partikel bestehen aus einem Kern von Indiumphosphid, der von einer sehr dünnen Schicht von Zinksulfid umgeben ist. «Im Vergleich zu den cadmiumhaltigen Quantenpunkten sind die neuen Verbindungen nicht nur umweltfreundlich, sondern sind auch sehr effizient bei der katalytischen Herstellung von Wasserstoff aus Licht und Wasser», erklärt Greta Patzke. Die Sulfid-Ionen auf der Quantenpunkt-Oberfläche erleichtern dabei die entscheidenden Schritte bei der lichtgetriebenen chemischen Reaktion: eine effiziente Trennung der elektrischen Ladungsträger und ihr rascher Transfer an den Wirkungsort des Nanopartikels, wo die Wasserspaltung beginnt.

Großes Potenzial für umweltschonende Anwendungen

Die neu entwickelten cadmiumfreien Nanomaterialien können als umweltfreundlichere Basis für diverse grosstechnische Anwendungen dienen. «Die wasserlöslichen und umweltfreundlichen Quantenpunkte auf Indiumbasis können zukünftig auch getestet werden, um Biomasse wie Zellulose in Wasserstoff umzuwandeln. Oder sie können etwa zu kaum giftigen Biosensoren oder nichtlinearen optischen Materialien weiterentwickelt werden», ergänzt Greta Patzke. Die Chemikerin wird sich im Rahmen des Universitären Forschungsschwerpunkts «LightChEC» auch weiterhin auf die Entwicklung von Katalysatoren für die künstliche Photosynthese konzentrieren. Ziel dieses interdisziplinären Forschungsprogramms ist es, Energie aus Sonnenlicht direkt als Wasserstoff bzw. chemische Energie zu speichern.

Originalveröffentlichung:
Shan Yu, Xiang-Bing Fan, Xian Wang, Jingguo Li, Qian Zhang, Andong Xia, Shiqian Wei, Li-Zhu Wu, Ying Zhou, and Greta R. Patzke; "Efficient Photocatalytic Hydrogen Evolution with Ligand Engineered All-Inorganic InP and InP/ZnS Colloidal Quantum Dots"; Nature Comm.; 2018

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