Wöchentlicher Wissenschafts- und Technologiepreis｜Vielversprechende photokatalytische Materialien

Im Jahr 1972 veröffentlichte „Nature“ einen Artikel, in dem eine Methode vorgeschlagen wurde, bei der Titandioxidelektroden zur Photolyse von Wasser verwendet werden, um Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen. Photokatalytische Materialien wie Titandioxid wurden zum „Liebling“ der wissenschaftlichen Gemeinschaft.

Warum kann Titandioxid durch Licht angetrieben werden? Dies beginnt mit seiner Struktur.

Titandioxid ist ein Halbleiter, dessen Energieniveaustruktur aus einem Valenzband mit niedrigerer Energie und einem Leitungsband mit höherer Energie besteht. Der Energieunterschied zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband wird als Bandlückenenergie bezeichnet. Was ist das Valenzband und was ist das Leitungsband? Um eine Analogie zu geben: Das Valenzband ist wie der Unterlauf eines Flusses, das Leitungsband ist wie der Oberlauf des Flusses und die Elektronen sind wie kleine Boote im Fluss. Wenn keine externe Energie vorhanden ist, bleibt das Boot aufgrund der Wasserströmung flussabwärts, d. h. wenn sich das Halbleitermaterial im Grundzustand befindet, sind alle Elektronen im Valenzband verteilt. Wenn das Boot genügend Energie hat und sich in Bewegung setzt, kann es flussaufwärts fahren und den Oberlauf des Flusses erreichen. Das heißt, wenn das Halbleitermaterial genügend Energie erhält, können die Elektronen angeregt werden und vom Valenzband in das Leitungsband springen, und die erforderliche Energie ist die Bandlückenenergie.

Wenn Licht auf das Titandioxidmaterial fällt und die Energie des Lichts größer oder gleich der Bandlückenenergie ist, werden einige der Elektronen im Valenzband angeregt und springen in das Leitungsband, wobei sie frei im Leitungsband fließen. und nachdem die Elektronen in das Leitungsband „gesprungen“ sind, bleiben im Valenzband freie Stellen übrig. Um diesen Prozess fachmännisch zu beschreiben: Das photokatalytische Material wird durch Licht angeregt, um photogenerierte Elektronen und Löcher zu erzeugen.

Anschließend werden die photogenerierten Elektronen und Löcher an verschiedenen Stellen auf der Oberfläche des Materials verteilt. Löcher sind begierig darauf, Elektronen aufzunehmen, daher besitzen sie eine starke Oxidationsfähigkeit, während Elektronen stark reduzierende Eigenschaften aufweisen. Aus diesem Grund ist Titandioxid in der Lage, Wasser unter Lichtbedingungen zu zersetzen. Tatsächlich sind die Lichtabsorption durch Materialien, die Massentrennung und die Oberflächenübertragung photogenerierter Ladungen die drei grundlegenden Prozesse der Photokatalyse.

Nach diesem Prinzip können photokatalytische Materialien die unerschöpfliche Sonnenenergie nutzen, um das auf der Erde in großen Mengen vorhandene Meerwasser zu elektrolysieren und so „kontinuierlich“ Wasserstoff und Sauerstoff zu produzieren. Die Aussichten sind sehr attraktiv. Leider weisen photokatalytische Materialien in der praktischen Anwendung inhärente Mängel auf.

Einer davon ist, dass seine Bandlückenenergie nicht mit dem Sonnenspektrum übereinstimmt. Der Lichtabsorptionsbereich photokatalytischer Materialien konzentriert sich größtenteils auf das ultraviolette Lichtband, die meiste Energie des Sonnenlichts konzentriert sich jedoch auf das sichtbare Lichtband von 400 bis 600 Nanometern, und ultraviolettes Licht macht weniger als 6 % aus. Dies bedeutet, dass photokatalytische Materialien bei der Nutzung von Sonnenenergie nicht sehr effizient sind.

Der zweite Grund ist, dass die Effizienz der photokatalytischen Reaktion nicht hoch genug ist. Wie bereits erwähnt, wandern die durch Licht erzeugten Elektronen und Löcher an verschiedene Stellen auf der Katalysatoroberfläche und unterliegen dort Reduktions- bzw. Oxidationsreaktionen. Dies ist jedoch nur die idealste Situation. Tatsächlich können sie sich auch auf der Oberfläche rekombinieren, was zur Deaktivierung des Katalysators und letztlich zu einer erheblichen Verringerung der photokatalytischen Effizienz führt. Daher müssen wir in diesem Prozess einen Weg finden, die photogenerierten Elektronen und Löcher schnell an verschiedene Orte zu trennen.

Durch eine Reihe grundlegender Forschungsarbeiten hat das Team von Liu Gang vom Institut für Metallforschung der Chinesischen Akademie der Wissenschaften einige Lösungen für diese beiden Probleme gefunden. Ein Forschungsprojekt zum Thema „Energieband- und Mikrostrukturregulierung photokatalytischer Materialien“ wurde gestartet. Sie fanden heraus, dass die räumliche Verteilung der Bandstrukturmodifikatoren innerhalb der Körner photokatalytischer Materialien der entscheidende Faktor bei der Regulierung der Bandlücke und damit bei der Veränderung des gesamten Lichtabsorptionsbereichs ist. Auf dieser Grundlage schlugen sie zwei Ideen vor: die Nutzung atomarer Strukturkanäle zur Förderung der Diffusion und die Nutzung interstitieller Heteroatome zur Schwächung starker Bindungen, um die Bindungsbruchenergie zu verringern, wodurch der Spektralbereich, den photokatalytische Materialien absorbieren können, erheblich erweitert wird. Um die räumliche Trennung der photogenerierten Elektronen und Löcher zu erreichen, entwickelten sie zweidimensionale photokatalytische Materialien mit Ladungsmigrationseigenschaften im Nahbereich und entwarfen photokatalytische Materialien mit Kern-/Schale-Struktur, die ungesättigte/gesättigte Valenzkationen enthalten. Damit durchbrachen sie die Beschränkungen der Ladungstrennung, die durch die inhärente Nichtübereinstimmung der Mobilität zwischen photogenerierten Elektronen und Löchern verursacht werden. Das Projekt wurde im November 2021 mit dem zweiten Preis des National Natural Science Award 2020 ausgezeichnet.

Dem Team gelang außerdem eine selektive Freilegung der Kristallebene photokatalytischer Materialien und es gelang, den Zusammenhang zwischen den Eigenschaften der Kristallebene, den Bandkantenpositionen und der Ladungsübertragung auf der Oberfläche aufzuklären, wodurch die Grundlage für die Erzielung einer kontrollierbaren Ladungsübertragung auf der Oberfläche geschaffen wurde. Die entsprechenden Forschungsergebnisse haben nicht nur die Entwicklung hocheffizienter solarbetriebener photokatalytischer Materialien stark vorangetrieben, sondern auch Ausstrahlungskraft auf zahlreiche Forschungsfelder anorganischer nichtmetallischer Funktionsmaterialien gehabt.

(Text: Gu Miaofei, stellvertretender Herausgeber von Science Pictorial, Shanghai Science and Technology Press; Rezensionsexperte: Li Cunpu, Professor der Fakultät für Chemie und Chemieingenieurwesen, Universität Chongqing)

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