Luftig und effizient

Aerogele sind aussergew?hnliche Materialien, die es mit ¨¹ber einem Dutzend Eintr?gen ins Guinnessbuch der Rekorde geschafft haben, unter anderem als leichteste Feststoffe der Welt.

Seit l?ngerem arbeitet auch der ETH-Professor Markus Niederberger vom Labor f¨¹r Multifunktionsmaterialien mit diesen besonderen Stoffen. Die Spezialit?t seines Labors sind Aerogele aus kristallinen Halbleiter-Nanopartikeln. ?Wir sind die einzige Gruppe weltweit, die solche Aerogele in so hoher Qualit?t herstellen k?nnen?, sagt er.

Auf Nanopartikeln basierende Aerogele dienen beispielsweise als Photokatalysatoren. Sie werden dann eingesetzt, wenn eine chemische Reaktion mithilfe von Sonnenlicht erm?glicht oder beschleunigt werden soll, etwa bei der Herstellung von Wasserstoff.

Als Material der Wahl f¨¹r Photokatalysatoren gilt das Halbleitermaterial Titandioxid (TiO₂). Doch dieses hat einen grossen Nachteil: Es kann aus dem Spektrum des Tageslichts nur den UV-Anteil absorbieren, und dieser betr?gt nur rund 5 Prozent. Soll die Photokatalyse jedoch effizient und industriell nutzbar sein, muss ein solcher Katalysator ein breiteres Spektrum nutzen k?nnen.

Spektrum mit Stickstoffdotierung erweitern

Niederbergers Doktorandin Junggou Kwon hat deshalb nach einem neuen Weg gesucht, wie ein Aerogel aus TiO₂-Nanopartikeln optimiert werden kann, sodass es ein breiteres Lichtspektrum ausn¨¹tzen kann. Und sie hatte eine z¨¹ndende Idee: Wird das TiO₂-Nanopartikel-Aerogel mit Stickstoff geimpft (oder in der Fachsprache: dotiert), sodass im Material einzelne Sauerstoff-Atome durch Stickstoff-Atome ersetzt werden, kann das Aerogel auch weitere Anteile des sichtbaren Lichts absorbieren. Dabei wird die Porenstruktur nicht zerst?rt. Die Studie ist soeben in der Fachzeitschrift ?Applied Materials & Interfaces? erschienen.

Kwon stellte zuerst das Aerogel mit TiO₂-Nanopartikeln und geringen Mengen des Edelmetalls Palladium her. Letzteres ist f¨¹r die photokatalytische Herstellung von Wasserstoff wichtig. Danach leitete sie in einem Reaktor Ammoniakgas durch das Aerogel hindurch. Das f¨¹hrte dazu, dass sich einzelne Stickstoffatome in der Kristallstruktur der TiO₂-Nanopartikel einbetteten.

Ver?ndertes Aerogel macht Reaktion effizienter

Um zu pr¨¹fen, ob das so ver?nderte Aerogel eine gew¨¹nschte chemische Reaktion ¨C in dem Fall die Herstellung von Wasserstoff aus Methanol und Wasser ¨C tats?chlich effizienter macht, entwickelte Kwon einen speziellen Reaktor, in dem sie das Aerogel direkt als ein ganzes St¨¹ck (Monolith) einsetzte. Danach leitete sie ein Gasgemisch aus Wasser- und Methanoldampf durch das sich im Reaktor befindende Aerogel, welches mit zwei LED-Leuchten bestrahlt wurde. Das Gasgemisch diffundiert durch den Porenraum des Aerogels, wo es an der Oberfl?che der TiO_2- und Palladium-Nanopartikel in den gew¨¹nschten Wasserstoff umgesetzt wird.

Gasfluss vergr?ssern

Dieses Experiment diente den Forschenden vor allem als Machbarkeitsstudie. Photokatalysatoren aus Aerogelen stellen eine neue Klasse von Photokatalysatoren dar, die eine aussergew?hnliche dreidimensionale Struktur anbieten und neben der Wasserstoffherstellung auch f¨¹r viele andere interessante Gasphasenreaktionen in Frage kommen. Gegen¨¹ber der heute ¨¹blichen Elektrolyse haben Photokatalysatoren den Vorteil, dass sich mit ihnen der Wasserstoff nur mit Licht und ohne Elektrizit?t herstellen liesse.

Ob das von Niederbergers Gruppe entwickelte Aerogel jemals im grossen Massstab zum Einsatz kommt, ist noch ungewiss. Ungekl?rt ist beispielsweise die Frage, wie der Gasfluss durch das Aerogel beschleunigt werden kann. Derzeit behindern die extrem kleinen Poren den Gasfluss zu stark. ?Um ein solches System in industriellen Massstab betreiben zu k?nnen, m¨¹ssen wir erst den Gasdurchfluss vergr?ssern und auch die Bestrahlung der Aerogele verbessern?, sagt Niederberger. Mit seiner Gruppe arbeitet er bereits an diesen Fragestellungen.