Ziel der Entwicklung

Ziel des Projektes ist die photokatalytische Wasserstofferzeugung aus Wasser unter direkter Nutzung des Sonnenlichtes. Der Katalysator wird als Beschichtung aufgebracht. Hierzu wird Titandioxid (TiO2) als Ausgangsmaterial verwendet, welches jedoch nur unter UV-Bestrahlung photokatalytisch aktiv für die Wasserspaltung ist. Für eine Effizienz im sichtbaren Lichtspektrum werden plasmonische Gold-Nanopartikel in die Beschichtungen eingebracht. Diese sorgen durch die zusätzliche Herstellung eines Schottky-Kontaktes für eine verbesserte katalytische Effizienz aufgrund verbesserter Trennung der im Halbleiter erzeugten Ladungsträger.

Vorteile und Lösungen

Zur Schichterzeugung werden die bei INNOVENT bekannten Verfahren Electrospinning und CCVD eingesetzt. Die Struktur, Schichtdicke und Zusammensetzung der Schichten wird mit verschiedenen mikroskopischen und spektroskopischen Methoden untersucht. Die photokatalytische Aktivität wird durch einen im Laufe des Projektes entwickelten Teststand beurteilt.
Mittels Electrospinning konnten die angestrebten Materialien hergestellt werden. Dabei konnten in die Fasern bis zu 20 mass% TiO2 eingebaut werden. Auch der Einbau von Gold-Nanopartikeln (AuNP) aus kommerziell erhältlicher, zuvor aufkonzentrierter Suspension konnte erfolgreich realisiert werden. Der Einbau von Präkursoren in die Fasern mit anschließender Kalzinierung lieferte Anatas-TiO2-Strukturen, in welche auch Gold-Nanopartikel eingelagert werden können. Somit wurden erfolgreich Herstellungsprozesse für TiO2- und Au-beladene Faserstrukturen mittels ESP etabliert.
Die Abscheidung von TiO2-Schichten mittels rCCVD wurde intensiv untersucht und Parametersätze zur zuverlässigen Abscheidung von ca. 100 nm dicken, porösen Schichten wurden gefunden. Für die zusätzliche Abscheidung von Gold stehen verschiedene Methoden zur Verfügung, sodass eine Dotierung der TiO2-Oberfläche mit nanoskaligen Goldpartikeln erfolgreich realisiert werden konnte.
Eine Abscheidung von TiO2-Partikeln in eine poröse Matrix durch einen CCVD-Prozess konnte nicht realisiert werden. Dagegen wurden mehrere Strategien zum Herstellen von Au-dotierten TiO2-Partikeln erfolgreich durchgeführt und diese Materialien im ESP eingesetzt.
Die Wasserstofferzeugung unter Bestrahlung konnte nur an wenigen Proben getestet und nachgewiesen werden, eine umfangreiche Korrelation mit den Schichteigenschaften war daher nicht möglich. Ein Teststand hierfür steht beim Projektpartner IPHT zur Verfügung. Innovent-interne Versuche zum Farbstoffabbau weisen jedoch auf eine hohe photokatalytische Aktivität vieler Proben hin.
Die Beschichtungen auf Basis von ESP konnten auf Substraten von 10 x 10 cm Größe umgesetzt werden, die rCCVD-Beschichtungen auf 10 x 20 cm. Dabei sind die Eigenschaften konsistent mit den kleinflächigeren Substraten. Für homogene großflächigere Beschichtungen ist in beiden Fällen eine angepasste Anlagentechnik notwendig.

Zielgruppe und Zielmarkt

Ein Bedarf an emissiosfrei hergestelltem Wasserstoff ergibt sich aus der Verwendung als Energiespeicher, Treibstoff und Basischemikalie. Die erforschten Katalysatorschichten können einen Weg zur dezentralen Gewinnung von Grünem Wasserstoff darstellen, sofern sie in einem entsprechenden großflächigen Photoreaktor eingesetzt werden. Die Technologie ist somit für die Branchen der Wasserstoffherstellung sowie für die Chemieindustrie interessant.