Forschung -

Neues Halbleiter-Hybridmaterial für die Wasserstoffproduktion

Eine neu entwickelte Doppelhelix-Halbleiterstruktur umhüllt mit Kohlenstoffnitrid eignet sich als effizienter Wasserspaltungskatalysator. Damit lässt sich billig und nachhaltig Wasserstoff erzeugen.

Einem internationalen Team um Professor Tom Nilges der Technischen Universität München (TUM) und den Ingenieur Karthik Shankar von der University of Alberta ist es gelungen, eine stabile und trotzdem flexible Halbleiterstruktur zu finden, die Wasser deutlich effizienter spaltet als bisher möglich.

Kern der Struktur ist eine anorganische Doppelhelix-Verbindung aus den Elementen Zinn, Iod und Phosphor (SnIP). Sie wird in einem einfachen Prozess bei Temperaturen um 400 °C synthetisiert. SnIP-Fasern sind einerseits flexibel und gleichzeitig so robust wie Stahl. „Das Material vereinigt die mechanischen Eigenschaften eines Polymers mit dem Potential eines Halbleiters“, sagt Nilges. „Daraus können wir in einem weiteren technischen Schritt flexible Halbleiterbauteile herstellen.“

Mit dem Wasserspaltungskatalysator entwickelte das Forschungsteam eine erste Anwendung für das ungewöhnliche Material. Sie stellten dafür jeweils Nanoteilchen aus beiden Ausgangssubstanzen her und vermischten die Suspensionen dieser beiden Nanoteilchen miteinander. Dabei entsteht eine Struktur aus einem harten und trotzdem flexiblen Kern aus SnIP-Doppelhelices umhüllt mit einer weichen Schale aus Kohlenstoffnitrid.

Wie Messungen zeigten, ist diese Struktur nicht nur deutlich stabiler als die Ausgangsstoffe, sie kann auch Wasser viermal effizienter spalten als bisher möglich – und ist so interessant als Material, mit dem sich günstig Wasserstoff herstellen oder überschüssiger Strom aus Windkraftanlagen chemisch speichern lässt.

Die hohe Effizienz des Katalysators hängt vor allem mit seiner großen Oberfläche zusammen, die das Team erreichte, indem es die SnIP-Fasern in dünnere Stränge teilte. Am effektivsten ist eine Mischung aus 30 % SnIP mit 70 % Kohlenstoffnitrid. Die dünnsten Fasern bestehen dabei aus wenigen Doppelhelix-Strängen und sind nur wenige Nanometer dick. Eingewickelt in Kohlenstoffnitrid behalten sie ihre hohe Reaktivität, sind aber langlebiger und damit als Katalysator besser geeignet.

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