Die steigende Nachfrage nach globaler Energie hat zu einer intensiven Forschung im Bereich der Energieerzeugung geführt, wobei der Fokus zunehmend auf Technologien liegt, die keine schädlichen Emissionen oder Treibhausgase freisetzen. Wasserstoff hat sich als eine der vielversprechendsten Alternativen zur herkömmlichen Energieerzeugung etabliert, insbesondere durch den Prozess der sichtbares Licht-induzierten Wasserspaltung. Die Wasserspaltung ist eine effiziente Methode zur Wasserstoffproduktion, da sie keine schädlichen Nebenprodukte erzeugt und mit einer Energiedifferenz von 1,23 eV arbeitet, die benötigt wird, um die Wassermoleküle zu spalten.

Halbleiter-Photokatalysatoren spielen eine entscheidende Rolle in der erneuerbaren Wasserstoffproduktion, indem sie die Energie des Sonnenlichts nutzen, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Dieser Prozess erfolgt in zwei wesentlichen Teilreaktionen: der Foto-Oxidation von Wasser (H2O → O2 + 2H+) und der Reduktion von Wasserstoffionen (H+ + e- → H2). Für eine effektive Wasserspaltung muss der ideale Photokatalysator eine Bandlücke aufweisen, die größer ist als 1,23 eV, wobei das Leitungsband (CB) ein negativeres Potenzial als das Redoxpaar H+/H2 aufweisen muss und das Valenzband (VB) ein positiveres Potenzial als das O2/H2O vs. RHE (Reversible Hydrogen Electrode) aufweist.

Zweidimensionale (2D) Materialien haben aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften wie hoher Oberflächenaktivität, effektiver Lichtabsorption, verbesserter Ladungstrennung und katalytischer Aktivität ein großes Potenzial für die Wasserspaltung. Diese Materialien zeichnen sich durch ihre hohe spezifische Oberfläche und ihre Fähigkeit aus, Licht zu absorbieren und Elektronen zu generieren, die an der Redoxreaktion teilnehmen. Die 2D-Struktur fördert eine schnelle Trennung der Elektronen und Löcher auf der Materialoberfläche, was die Effizienz des Prozesses erhöht.

Die erste Entdeckung von Graphen als 2D-Material eröffnete neue Perspektiven in der Materialforschung, da Graphen außergewöhnliche elektronische, mechanische und optische Eigenschaften aufweist. Die Weiterentwicklung von 2D-Materialien, insbesondere Übergangsmetall-Dichalkogeniden (TMDs) wie MoS2, hat das Interesse an diesen Materialien in der Wissenschaft weiter verstärkt. Diese TMDs bestehen aus hexagonal angeordneten Schichten von Metallatomen, die zwischen zwei Schichten von Chalkogenatomen (S, Se, Te) angeordnet sind. Diese Schichten sind durch Van-der-Waals-Kräfte verbunden, was eine einfache Manipulation der Materialstruktur und damit die Kontrolle der elektronischen Eigenschaften ermöglicht.

Darüber hinaus werden auch andere 2D-Materialien wie Graphit-Kohlenstoff-Nitrid (g-C3N4), Schicht-Doppelhydroxide (LDH), Perowskite und MXene als mögliche Photokatalysatoren für die Wasserstoffproduktion untersucht. Besonders vielversprechend ist das MoS2, bei dem die Bandlücke von indirekt zu direkt wird, wenn die Schichten in einer bestimmten Weise angeordnet sind, was die Effizienz des Materials bei der Lichtabsorption und der Ladungstrennung steigert. Graphit-Kohlenstoff-Nitrid hat sich ebenfalls als ein vielversprechender Halbleiter-Photokatalysator erwiesen, da es eine planare Struktur mit Kohlenstoff- und Stickstoffatomen aufweist und sich durch seine Fähigkeit zur effizienten Lichtabsorption auszeichnet.

Die spezifische Struktur von 2D-Materialien ermöglicht eine längere Trennung von Elektronen und Löchern, was zu einer geringeren Rückkombination von Elektronen führt. Diese Eigenschaft begünstigt die Interaktion zwischen den Elektronen und den Wassermolekülen an der Festkörper-Wasser-Grenzfläche, was die Wasserstoffproduktion effizienter macht. Die Verwendung von 2D-Materialien bietet auch den Vorteil einer flexiblen Designstrategie und der Möglichkeit, ihre Eigenschaften durch Änderungen der Schichtzahl oder der Anordnung zu optimieren.

Obwohl vielversprechende Fortschritte bei der Entwicklung von 2D-Photokatalysatoren erzielt wurden, bleiben Herausforderungen wie die Stabilität, die Langzeitbeständigkeit und die Skalierbarkeit für praktische Anwendungen bestehen. Es ist daher weiterhin notwendig, Forschung und Entwicklung in diesem Bereich zu intensivieren, um die Effizienz und die Praktikabilität dieser Materialien in einer nachhaltigen Wasserstoffwirtschaft zu verbessern.

Ein zusätzliches Element, das nicht übersehen werden sollte, ist die Rolle der Oberflächenmodifikation und der Heterostrukturbildung bei der Verbesserung der Photokatalysatoreigenschaften. Die Integration von 2D-Materialien mit anderen Halbleitern oder die Bildung von Heterojunktionen kann zu einer weiteren Steigerung der Effizienz und Stabilität führen. Darüber hinaus ist die Untersuchung der Umwelteinflüsse auf die Leistung dieser Materialien von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass sie unter realen Bedingungen in der Wasserstoffproduktion langfristig stabil bleiben.

Welche Rolle spielen moderne 2D-Materialien in der Elektronik und Sensorik der Zukunft?

Elektronische Bauteile und Geräte setzen in der Regel auf Drahtführung zur elektrischen Leitung, um die Träger von äußeren Kreisen in interne funktionelle Komponenten zu übertragen. Jedoch erleben diese Träger stets eine gewisse Degradation auf ihrem Weg, was ihre Effektivität in Bezug auf die Geräteleistung verringert. Um die Nutzung dieser Träger zu ermöglichen, wurde eine drahtlose elektrostatische Induktionstechnik entwickelt, die es erlaubt, native Träger gezielt in elektrochemischen Superkondensatoren auf MXene-Basis zu aktivieren. Durch Experimente und Computersimulationen konnte gezeigt werden, dass native Träger in den porösen MXene-Materialien sowie in Metallfolien und ionischen Elektrolyten effizient angeregt werden. Diese Induktionstechnologie bietet eine bemerkenswerte Energie-Kapazität von 541,6 F/g, die signifikant höher ist als die 258,5 F/g, die durch Drahtleitung erzielt werden.

Die Induktionssysteme, die zur drahtlosen Erkennung der Nähe von Auslösern entwickelt wurden, zeigen zudem eine hohe Empfindlichkeit von 7,01 µA/m und eine exzellente Linearität von 97,9 % bei einer Eindringtiefe von bis zu 20 cm. Auch die Identifikation der Stärke des elektrostatischen Feldes (AEF) wurde untersucht und zeigt eine hohe Empfindlichkeit von 14,4 mA/ν und eine Linearität von 95,2 %. Diese Merkmale wurden auch mit Prototypen realisiert, die diese intelligenten Funktionen in der Praxis demonstrieren. MXene stellen eine vielversprechende Grundlage dar, um nächste Generation von Sensoren zu entwickeln und diese in der modernen Chemie zu nutzen. Ihre herausragende elektrische Leitfähigkeit, Hydrophilie, hohe Ionenmobilität und große Oberfläche machen sie zu einer idealen Basis für die Integration in moderne elektrochemische Geräte.

Diese Materialklasse hat großes Potenzial, insbesondere für den Bereich der analytischen Detektion. Die jüngsten Entwicklungen zeigen die wichtige Rolle von MXenen bei der Verbesserung der Effizienz und Präzision von Messgeräten und Sensoren, die auf elektrochemischen und physikalischen Prinzipien basieren. Ihre Vielseitigkeit lässt sich auch in der Forschung und Entwicklung von Geräten nutzen, die mit diesen Materialien arbeiten, und sie eröffnen neue Perspektiven in der Sensorik, insbesondere im Bereich der Umweltüberwachung und der Gesundheitstechnik.

Ein weiteres Material, das in der Forschung zunehmende Beachtung findet, sind die Metallchalcogenide, eine große Klasse von 2D-Materialien, die die problematische Eigenschaft von Graphen, kein Bandlücke zu haben, umgehen und somit in der Lage sind, Licht zu absorbieren und als Photodetektoren zu fungieren. Sie lassen sich in zwei Hauptkategorien unterteilen: Übergangsmetallchalcogenide und Chalcogenide von Hauptgruppenelementen. Diese Materialien bieten eine breite Palette an optischen, elektrischen und katalytischen Eigenschaften und sind daher für die Entwicklung von optoelektronischen Geräten besonders wichtig. Die sogenannten TMDs (Transition Metal Dichalcogenides) wie MoS₂, WS₂ und andere zeichnen sich durch ihre bemerkenswerte optische Absorption und die Möglichkeit aus, in Solarzellen oder lichtempfindlichen Detektoren verwendet zu werden.

Besondere Bedeutung erlangen diese Materialien durch ihre Verwendung in Gasdetektoren, bei denen die Reaktivität gegenüber Umwelteinflüssen und ihre optischen Eigenschaften genutzt werden. Ein Beispiel hierfür ist die Entwicklung von Gasdetektoren auf Basis von Zirkoniumtrisulfid (ZrS₃), die auf lichtinduzierte Gasdetektion setzen. Hierbei spielen die Photokonduktivität und Photogating eine entscheidende Rolle, insbesondere bei unterschiedlichen Wellenlängen des Lichts, was das Potenzial für die Herstellung extrem empfindlicher und selektiver Gassensoren eröffnet.

Eine noch wenig untersuchte, aber vielversprechende Materialklasse sind die Phosphorene. Phosphorene bestehen aus einer einzelnen Schicht von schwarzen Phosphorkristallen und haben aufgrund ihrer anisotropen orthorhombischen Kristallstruktur außergewöhnliche mechanische, elektrische und optische Eigenschaften. Diese Materialien haben das Potenzial, die Photothermie zur Solarenergiegewinnung zu revolutionieren und gleichzeitig die gesammelte thermische Energie effektiv zu speichern. Besonders vielversprechend ist ihre Nutzung in der Entwicklung von Phase-Change-Materialien, die in der Lage sind, große Mengen an latenter Wärme zu speichern, was sie für die Solarenergiegewinnung und -speicherung hochinteressant macht.

Der kontinuierliche Fortschritt in der Herstellung und Optimierung von Phosphorensheets und deren Integration in Composite-Materialien hat das Potenzial, die thermischen Eigenschaften von Geräten erheblich zu verbessern und ihre Effizienz zu steigern. Insbesondere die Herstellung orientierter schwarzer Phosphorstrukturen und deren Verwendung in fortschrittlichen Wärmeleitmaterialien wird als vielversprechende Forschungsrichtung angesehen, um die thermischen Eigenschaften zu optimieren.

Der Schlüssel zur Nutzung dieser fortschrittlichen 2D-Materialien in praktischen Anwendungen liegt in ihrer Integration in bestehende Technologien und in der Entwicklung neuer, hocheffizienter Sensoren und Detektoren. Dabei spielt nicht nur die Materialwissenschaft eine Rolle, sondern auch die Entwicklung entsprechender Techniken zur Herstellung und Funktionsweise dieser Materialien in Geräten. Es wird erwartet, dass mit der Weiterentwicklung dieser Materialien und ihrer Integration in Sensor- und Detektortechnologien neue Möglichkeiten zur Verbesserung der Elektronik, der Photonik und der umwelttechnischen Anwendungen geschaffen werden.

Wie 2D-Materialien die Effizienz und Stabilität von Solarzellen steigern

Die Entwicklung von Solarzellen mit höherer Effizienz und längerer Stabilität ist eine der zentralen Herausforderungen in der modernen Energiespeicherung und -nutzung. In den letzten Jahren haben 2D-Materialien, insbesondere Halogenid-Halbleitermaterialien, großes Potenzial gezeigt, um diese Ziele zu erreichen. Eine bemerkenswerte Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Solarzellen wurde durch die Verwendung von 2D-Materialien in Kombination mit 3D-Materialien erzielt. Eine solche Kombination ermöglichte es, Solarzellen mit einem PCE (Power Conversion Efficiency) von bis zu 21,6% zu entwickeln, was einen signifikanten Fortschritt darstellt. Bei diesen Zellen lag die offene Schaltspannung (OCV) bei 1,10 V und die Kurzschlussstromdichte bei 23,8 mA/cm², was eine deutliche Verbesserung der Solarzellenleistung im Vergleich zu früheren Designs darstellt.

Die Forschung von Jang et al. demonstrierte die Anwendung von 2D/3D-Halogenid-Junctions, die durch Festphasen-in-Plane-Wachstum aufgebracht wurden. Dieses Verfahren ermöglicht eine bessere Kontrolle über die Dicke der aufgetragenen Schicht und somit eine präzisere Strukturierung der Perowskit-Materialien. Dabei wird die 2D-Schicht auf einem 3D-Perowskitfilm appliziert, was die Stabilität und Effizienz der Solarzellen erheblich verbessert. In einem weiteren Schritt werden die 2D-Samenkörner auf der Oberfläche gebildet und verwandeln sich in eine neue 2D-Schicht, die direkt mit der 3D-Schicht in Kontakt tritt.

Ein weiteres herausragendes Ergebnis wurde in einer Studie erzielt, in der eine Solarzelle mit einer PCE von 24,59% und einer OCV von 1,185 V konstruiert wurde. Diese Zellen behielten 94% ihrer Effizienz nach 1056 Stunden bei einer Dampfwärmeprüfung bei 85 °C und 85% relativer Luftfeuchtigkeit und 98% Effizienz nach 1620 Stunden unter vollständiger Sonneneinstrahlung. Solche Fortschritte sind ein deutlicher Hinweis darauf, dass 2D-Materialien die Umwandlung von Sonnenenergie in Strom erheblich verbessern können und damit eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen elektromechanischen Geräten darstellen.

Der Einsatz von 2D-Materialien eröffnet neue Perspektiven nicht nur für Solarzellen, sondern auch für andere elektrochemische Energiespeichergeräte wie Superkondensatoren und Batterien. Die Stabilität und die hohe Leistung dieser Materialien bieten das Potenzial für die Entwicklung flexibler oder tragbarer Elektronikgeräte, die mit einer noch nie dagewesenen Effizienz arbeiten können. Forscher sind davon überzeugt, dass diese Materialien nicht nur die Leistung von Solarzellen steigern, sondern auch die Entwicklung nachhaltigerer Energiespeicherlösungen vorantreiben werden.

Die Synthese und Charakterisierung von 2D-Materialien ist ein wesentlicher Bestandteil der aktuellen Forschung. Verschiedene Methoden wie Sol-Gel-Verfahren, Exfoliation und CVD (Chemical Vapor Deposition) werden verwendet, um diese Materialien in die gewünschte Form zu bringen. Die Wahl des geeigneten Verfahrens hängt stark von den spezifischen Anforderungen des Endprodukts ab. In diesem Zusammenhang sind die präzise Steuerung der Schichtdicke und die Homogenität der Materialien von entscheidender Bedeutung, um die gewünschten Eigenschaften für die jeweilige Anwendung zu erzielen.

Zukunftsweisende Forschungsprojekte konzentrieren sich darauf, 2D-Materialien weiter zu optimieren und mit neuen innovativen Technologien zu kombinieren, um noch leistungsfähigere und langlebigere Geräte zu entwickeln. Insbesondere die Kombination von 2D-Materialien mit anderen Nanomaterialien und die Weiterentwicklung von Herstellungsverfahren könnten zu weiteren Durchbrüchen führen, die die Herstellung von Solarzellen und Energiespeichersystemen noch effizienter und kostengünstiger machen.

In der Zukunft werden 2D-Materialien wahrscheinlich die Schlüsseltechnologie für viele neue Anwendungen in der Energietechnik darstellen. Ihre Flexibilität, geringe Dicke und außergewöhnliche elektrischen Eigenschaften machen sie ideal für die Entwicklung von Geräten, die nicht nur eine hohe Leistungsfähigkeit bieten, sondern auch die Anforderungen an Nachhaltigkeit und Umweltverträglichkeit erfüllen können.

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