Halbleiterkatalysator

Ein Halbleiterkatalysator ist ein Katalysator, der aus einem Halbleitermaterial besteht und chemische Reaktionen über die Oberflächenreaktionen photogenerierter Ladungsträger beeinflusst. Bei Lichtabsorption werden Elektronen und Löcher erzeugt, die an der Oberfläche Redoxreaktionen antreiben; zusätzlich kann eine Elektro- oder Photoelektrokatalyse durch angelegtes Potential erfolgen.

Typische Halbleiterkatalysatoren umfassen Oxide wie TiO2 (Anatase, Rutile), ZnO, SnO2, Fe2O3, sowie sulfide wie CdS und MoS2, und neuere Kandidaten wie g-C3N4 oder Perowskite. Die Aktivität hängt von Bandpositionen, Bandabstand, Oberflächenstruktur, Defektzustand und Kristallphase ab. Durch Dotierung, Nanostrukturierung, Oberflächenmodifikation oder Heterostrukturbildung (Typ-II, Z-Schema) lässt sich Lichtabsorption erweitern und Ladungstrennung verbessern. Cocatalysten wie Pt, Ni oder CoP beschleunigen oft die Reaktionen.

Anwendungen umfassen Photokatalyse zur Wasserspaltung und Wasserstoffproduktion, CO2-Reduktion zu Kraftstoffen, Abbaureaktionen organischer Schadstoffe, sowie Desinfektion. In der Elektro- oder Photoelektrokatalyse dienen Halbleiterkatalysatoren als Arbeitselektroden in Wasserstoffentwicklung, Sauerstoffentwicklung und redoxprozessen.

Herausforderungen sind schnelle Rekombination von Ladungsträgern, eingeschränkte Visible-Light-Absorption, Stabilitätsprobleme unter Reaktionsbedingungen, Kosten und Skalierbarkeit. Forschung fokussiert sich auf die Entwicklung effizienter Heterostrukturen, Dotierung und Defektsteuerung, Oberflächenmodifikation sowie Integration mit Cocatalysten. Typische Charakterisierungsmethoden umfassen UV-Vis-Spektroskopie, XRD, TEM/SEM und XPS zur Bestimmung von Bandpositionen, Oberflächenzuständen und Ladungstrennungseffizienz.