Photokatalytische Wasserspaltung



Das Foto Catalytic Wasserspaltung beschreibt den Prozess in DM Photonen wurden sofort genutzt um Wasser elektrochemisch in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufzutrennen. Die Reaktion zählt zur Künstlichen Fotosynthese und lässt sich erklären, wer folgt:

{\ displaystyle H_ {2} O + 2h \ nu \ rightarrow H_ {2} + {\ frac {1} {2}} O_ {2}}

Verfahren zur Gewinnung von Wasserstoff bei Einem Übergang Auf einem zu waren Erneuerbaren Energien basie läuft Wasserstoffwirtschaft eine bedeutung gewinnen. Der vorteil der Gegenüber Photokatalyse andere , die Techniken von ElektrolysenBesteht Darin that Ladungstrennung und Spaltung von Wäschern von Einem Werkstoff an der same Grenzfläche durchgeführt waren Kann, Wodurch Übertragungsverluste mini Miert can und Material waren Gespart Kann waren.

Seit der Entdeckung des photokatalytischen Wasserspaltung am Halbleiter TiO 2 im Jahr 1972 Durch Akira Fujishima und Kenichi Honda , Versuche ich Eine vielzahl eineine Wissenschaftler an der Weiterentwicklung geeignete Materialien. [1]

Aktuelle Forschungen verschleierten die nächtliche Energie der Photonen, die sowohl unter A. Fujishima als auch K. Honda im UV- Licht , im Bereich des sichtbaren Licht zuieben lagen . Dazu Müssen vor Allem Verluste REDUZIERT waren , dass ein den Grenzflächen between Katalysator und Wasser entstehen. Ein weiteres großes Problem stellt die Zerlegung des Catalysators unter Beleuchtung dar. [2]

Arten von Fotokatalysatoren

Die Wasserspaltung Profilierung mittels Sonne Licht Kann über verschiedene Zellaufbauten Realisiert wurde. Dabei Sie Eine Spannung von mindestens between 1,23 V Anode und Kathode aufgebaut waren. Das Entspricht die Energie, die aufgewendet Sie waren, um ein Wasserstoffatom von Einem zu Sauerstoffatom trennen. In der Praxis die ist Spannung Benötigte jedoch Höher, typischerweise im Bereich von 1,6 bis 2,4 V, wurde sich auf Eine starke während der Reaktion Bindung eine den Katalysator, Eulen auf Leitungsverluste zurückführen Lässt. [3]

n-Typ Photoanode

Auf diese Weise gab es keine Notwendigkeit für die neue Spannung durch die An ordnung eines Elektron-Loch-Paares durch Photonen an der Bandlücke eines Halbleiters . Durch die angleichen von Ferminiveausvon n-Halbleiter Mit Dem Quasi-Fermi – Niveau von Elektrolyten finden Eine Bandverbiegung statt , die aktive Ladungstrennung von und Electron Loch bewirkt Einem. Der Loch wurde für diese Reaktion des H 2 O zu O 2 verdorben. Ähm, dass Fermikante des Metalls das Potential zu, das vom H + zu H 2 reagiert, bei einer externen Spannung st.[4]

p / n-Typ Fotoanode / Photokathode

Bei dieser Zellkonfiguration wurde nämlich ein p-Halbleiter mit einem nd Halbleiter an den Ohmschen Kontakt angeschlossen. Im Unterschied zur n-Type Photoanode fand die Ladungstrennung von Elektron und Loch sowohl an der Photoanode als auch an der Photokathode statt. Die Bandbreite des p-Halbleiters führt dazu, dass Elektron und die Grenzfläche wandern und so, dass die Reaktion H + zu H 2 trebt. Die Löcher wurden auf die Grenzfläche zum n-Halbleiter geworfen, wo sie mit den Elektronen rekombinieren. Für die Erzeugung eines Photons wurden auch Photonen benötigt. This können je eine niedrige Energie, wie bei einem Ein-Photonen-Prozess, gefunden werden. [5]

Photokatalyse mit suspendierten Partikeln

Hier war die Wasserspaltung mit Hilfe von Partikeln, die im Wasser suspendiert sind. Diese Funktion des Partikels wirkt in der Lichtabsorption , der Ladungstrennung und der Wasserelektrolyse .

Straßen der extrem korrosiven Bereiche sind aus Metalloxiden aufgebaut, die mit Metall- oder Metalloxid- Elektrokatalysatoren verbunden sind. Beispiele hierunter sind La / KTaO 3 mit NiO-Elektrokatalysator [6] und GaN: ZnO mit Cr / RhOx Elektrokatalysator. [7] Potentiell sind auf Basis von Systemen kostengünstigen als herkömmliche photoelektrochemische Systeme. Allerding ist Straßen der schnellen Elektronen-Loch-Rekombination, die Energieeffizienz der Teilchensysteme noch zu niedrig für kommerzielle Anwendungen. Auch imagine zur Sicherheit, da Wasserstoff undSauerstoff ein Sprengstoff Gasgemisch Bilden. Forschungsansätze für Eine der Aufgabe Verbesserung Energieeffizienz in der Entwicklung Bestehen neuer Halbleitermaterialien in der verwendung von Nano Teil Chen , und in der anwendung von zum Oberlflächenmodifikationen Stabilisierung des Zorns Egten Zustandes. [8]

Effizienzdefinition

Die Effizienz des photokatalytischen Wasserspaltung ist über das Verhaltnis von eingestrahlter zur Sonne Energie produziert, nutzbare Chemische Energie Definiert. Genau für Definition der nutzbare Energie pro umgesetztem Electron (Wasserstoffatom) jedoch ist also Mehrere Ansätze, So kann der sterben Brennwert oder sterben Gibbs sportlich freie Energie angesetzt waren. Letzterer Wert ist mit reduzierten 1.23 eV pro Proton konservativere den Wert und DAHER Wird in der Regel used. [9] Das Prognose, ab Welcher Effizienz – Stabilität vorausgesetzt – der Prozess Wirtschaftlich interessant Könnte waren, Ist bisher noch vage und geht von 5-10% für das mit Ansatz suspendierten Partikel und mindestens 15% für Hocheffizienz-Systeme aus. [10]

Die bisher im Labor erzielten Effizienzen hängen stark vom verdorbene Lebensmittel – Materialsystem ab und reichen von 5% für Metalloxid-Systeme [11] bis zu 14% für sterben tor sie III-V Verbindungshalbleiter . [12]

Einzelstunden

  1. Hochspringen↑ A. Fujishima, K. Honda: Elektro Photolyse von Wasser bei einer Halbleiterelektrode in: Nature . Vol. 238, 1972, S. 37-38.
  2. Hochspringen↑ MG Walter EL Warren, JR McKone, SW Boettcher, Q. Mi, EA Santori, und NS Lewis: Solar – Wasserspaltung Zellen in: Chem. Rev. 110, 2010, S. 6446-6473.
  3. Hochspringen↑ MG Walter, EL Warren, JR McKone, SW Boettcher, Q. Mi, EA Santori und NS Lewis: Solare Wasserspaltungszellen In: Chem. Dr. Rev. 110, 2010, S. 6448 Haube. 2.
  4. Hochspringen↑ CA Grimes Licht, Wasser, Wasserstoff – Die Solargeneration oder Wasserstoff durch Wasser Photoelektrolyse- Haube. 3.
  5. Hochspringen↑ MG Walter EL Warren, JR McKone, SW Boettcher, Q. Mi, EA Santori, und NS Lewis: Solar – Wasserspaltung Zellen in: Chem. Rev. 110, 2010, S. 6452 Kap. 2.3.
  6. Hochspringen↑ H. Kato, K. Asakura und A. Kudo, hoch effiziente Wasserspaltung in H 2 und O 2 über lanthandotiertes NaTaO3 Photokatalysatoren mit hohen Kristallinität und Nanostrukturoberfläche, J. Am. Chem. Soc., 2003, 125 (10), 3082-3089.
  7. Hochspringen↑ K. Maeda, K. Teramura, DL Lu, T. Takata, N. Saito, Y. Inoue und K. Domen, Charakterisierung von Rh-CrMischoxidNanopartikel dispergiert auf (Ga1-xZnx) (N1-xOx) als CoKatalysator für sichtbares Licht angetrieben Gesamtwasserspaltung, J. Phys. Chem. B 2006, 110 (28), 13.753-13.758.
  8. Hochspringen↑ FE Osterloh, Nanoskalige Effekte in der Wasserspaltung Photokatalyse, Top. Curr. Chem., 2015, doi : 10.1007 / 128_2015_633 .
  9. Hochspringen↑ Z. Chen, Jaramillo TF, TG Deutsch, A. Kleiman-Shwarsctein, AJ Forman, N. Gaillard, R. Garland, K. Takanabe, C. Heske, M. Sunkara, EW McFarland, K. Domen, EL Miller JA Turner und HN Dinh: Beschleunigte Entwicklung Materialien für fotoelektrochemische Wasserstoffproduktion: Standards für Methoden, Definitionen und Berichtsprotokolle In: J. Mater. Res. 25, 2010, S. 3-16, doi : 10.1557 / JMR.2010.0020 .
  10. Hochspringen↑ BA Pinaud, JD Benck, LC Seitz, AJ Forman, Z. Chen, TG Deutsch, James BD, KN Baum, CN Baum, S. Ardo, H. Wang, E. Miller und TF Jaramillo: Technische und wirtschaftliche Einsetzbarkeit zentrale Anlagen zur solaren Wasserstoffproduktion durch Photokatalyse und Photoelektrochemie In: Energy Environ. Sci. 6, 2013, S. 1983-2002, doi : 10.1039 / C3EE40831K .
  11. Hochspringen↑ FF Abdi, L. Han, AHM Smets, M. Zeman, B. Dam, R. van de Krol: Effiziente solare Wasserspaltung durch verstärkte Batch-Trennung in einer Bismutvanadat-Silizium-Tandemphotoelektrode . In: Naturkommunikationen . 4, 29. Juli 2013. doi : 10.1038 / ncomms3195 . Abgerufen am 25. Dezember 2015.
  12. Hochspringen↑ MM Mai, H.-J. Lewerenz, D. Lackner, F. Dimroth, T. Hannappel: Effiziente direkte Umwandlung von Solarenergie in Wasserstoff durch In-situ-Grenzflächentransformation einer Tandemstruktur . In: Naturkommunikationen . 6, 15. September 2015. doi : 10.1038 / ncomms9286 . Abgerufen am 25. Dezember 2015.

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