Künstliches Blatt aus halbleitenden Polymeren
Die natürliche Photosynthese hat sich entwickelt, um Wasser und Sonnenlicht in Sauerstoff (O2) und gespeicherte chemische Energie umzuwandeln. In Pflanzen ist dieser Prozess nicht sehr effizient. Aber die Möglichkeit, Sonnenlicht auf wirtschaftliche und global skalierbare Weise in chemischen Brennstoff umzuwandeln, ist eine sehr attraktive Methode, um unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern. Daher suchen Forschende schon seit Jahrzehnten nach Wegen zu einer effizienten und kostengünstigen Nachahmung der natürlichen Photosynthese. Es stellte sich heraus, dass der Schritt der O2-Produktion ziemlich knifflig ist und eine grosse Herausforderung für die künstliche Photosynthese bleibt.
In einem kürzlich in Nature Catalysis veröffentlichten Bericht beschreiben Prof. Kevin Sivula und seine Mitarbeitenden im Laboratory for Molecular Engineering of Optoelectronic Nanomaterials (LIMNO) an der EPFL eine Mischung aus halbleitenden Polymeren, die allgemein als Kunststoffelektronik bekannt ist, die eine hocheffiziente solargetriebene Wasseroxidation (H2O→ O2) demonstriert.
Sauerstoffproduktion aus Sonnenlicht, Wasser und Halbleiterpolymeren © LIMNO / EPFL
Im Vergleich zu bisher bekannten Systemen, die anorganische Materialien wie Metalloxide oder Silizium verwenden und nicht die Leistungs- und Kostenanforderungen für eine industrielle Nutzung erfüllen, haben die polymeren Materialien, über die in dieser neuen Arbeit berichtet wird, molekular abstimmbare Eigenschaften und sind bei niedrigen Temperaturen in Lösung verarbeitbar, was die Herstellung von Bauelementen in grossem Massstab zu niedrigen Herstellungskosten ermöglicht.
Der Durchbruch des EPFL-Teams wurde erreicht, indem die Eigenschaften der Polymere auf die Anforderungen der Wasseroxidationsreaktion abgestimmt und zu einer sogenannten BHJ-Mischung (Bulk Heterojunction) zusammengefügt wurden, die die Effizienz der solarbetriebenen katalytischen Reaktion weiter verbessert. Indem sie auch die Leitung der elektronischen Ladungen in der Vorrichtung durch die Verwendung sorgfältig entwickelter Grenzflächen optimierten, realisierten sie die erste Demonstration einer wasseroxidierenden «Photoanode», die auf einer BHJ-Polymer-Mischung basiert und eine bis dato beispielhafte Leistung aufweist – sie ist zwei Grössenordnungen besser als frühere Geräte auf organischer Basis. Darüber hinaus identifizierte das Team Schlüsselfaktoren, die die robuste Leistung der O2-Produktion beeinflussen, was helfen wird, Wege zur weiteren Verbesserung der Leistung zu definieren.
Aufgrund des Potenzials dieses Ansatzes könnte das von Prof. Kevin Sivula und Kolleginnen und Kollegen entwickelte System wesentlich dazu beitragen, das Feld der polymerbasierten Elektronik voranzutreiben und einen vielversprechenden Weg zur wirtschaftlichen, effizienten und skalierbaren solaren Kraftstoffproduktion durch künstliche Photosynthese zu etablieren.
