08.10.2018

Umweltfreundliche Nanopartikel für die künstliche Photosynthese

Cadmiumfreien Nanomaterialien als Basis für groß­tech­nische An­wen­dungen.

Forscher der Uni Zürich haben neuartige Nanopartikel für die künst­liche Photo­syn­these ent­wickelt: Quanten­punkte aus Indium­phosphid und Zink­sulfid. Mit­hilfe von Sonnen­licht gene­rieren diese Teil­chen aus Wasser Wasser­stoff. Diese leistungs­starken Quanten­punkte aus umwelt­freund­lichen Stoffen stehen nun erst­mals für photo­kataly­tische Prozesse zur Ver­fügung.

Abb.: Schematische Darstellung der photo­kata­ly­tischen Wasser­stoff­produk­tion mit InP/ZnS-Quanten­punkten in einem typischen Test­ver­fahren. (Bild: S. Yu, South­west Petro­leum U.)

Quantenpunkte 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.

Ein weiteres Anwendungsgebiet zielt darauf ab, Wasser­stoff direkt aus Wasser und Sonnen­licht zu erzeugen. 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 zusammen mit Forschern der South­west Petro­leum Univer­sity in Chengdu und der Chinese Academy of Sciences neu­artige Nano­teil­chen ohne toxische Elemente für die Photo­kata­lyse ent­wickelt.

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 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.

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 Patzke.

U. Zürich / RK

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