Ein neuer Katalysator für die Wasserspaltung zur Verbesserung der Wasserstofferzeugung

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Aufgrund der weithin anerkannten Rolle von Wasserstoff als sicherer und sauberer Energieträger hat sich die Erforschung seiner Herstellung insbesondere aus erneuerbaren Quellen intensiviert. Einer von mehreren Wegen zur Erzeugung von Wasserstoff ist die Spaltung von Wasser durch Sonnenlicht mithilfe von Photokatalysatoren. Mit Unterstützung des teilweise EU-finanzierten Projekts DYNAPORE (Dynamic responsive porous crystals) haben Forscher ein neues organisches Material für die photokatalytische solare Wasserstofferzeugung oder Wasserspaltung synthetisiert. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift „Nature Chemistry“ veröffentlicht.

Laut einer Pressemitteilung, die auf der Website der Universität Liverpool veröffentlicht wurde, kombinierte das Team Experimente und Berechnungen für die Entwicklung des Photokatalysators. Die photokatalytische Wasserspaltung mit Sonnenlicht gilt als eine vielversprechende Technologie, die einen hohen Energieertrag ohne schädliche Nebenerzeugnisse ermöglicht. Wie in der Pressemitteilung erläutert wird, kann dies allerdings nur gelingen, wenn die Energie im Sonnenlicht effektiv genutzt werden kann. „Anorganische Materialien sind eher bekannt als wasserspaltende Katalysatoren, aber organische Katalysatoren können auch aus billigen, reichlich vorhandenen Elementen wie Kohlenstoff, Stickstoff und Schwefel hergestellt werden.“ Xiaoyan Wang, der Doktorand der Chemie, der die experimentelle Arbeit an der Universität leitete, sagte: „Um hohe Wasserstoff-Entwicklungsraten zu erreichen, benötigen Sie eine gute Wasseraffinität, breite Lichtadsorption, eine große Oberfläche und eine hohe Kristallinität. Durch die Einführung all dieser Eigenschaften in einem Material haben wir einen sehr aktiven Photokatalysator erhalten.“

Stabilität und Effizienz

In dem Artikel der Fachzeitschrift stellten die Forscher fest, dass in der Natur organische Moleküle für die Lichternte und die Photosynthese verwendet werden, aber die meisten künstlichen Wasserspaltungskatalysatoren anorganische Halbleiter sind. Sie fügten hinzu: „Organische Photokatalysatoren sind zwar aufgrund ihrer synthetischen Abstimmbarkeit attraktiv, weisen jedoch nur geringe Quanteneffizienzen für die Wasserspaltung auf. Was wir hier vorstellen wollen ist ein kristallines kovalentes organisches Gerüst, das auf einer Benzo-bis-Einheit (Benzothiophensulfon-Einheit) basiert, die eine viel höhere Aktivität für die photochemische Wasserstoffentwicklung aufweist als ihre amorphen oder halbkristallinen Gegenstücke.“

Sie betonten, dass das „kovalente organische Gerüst bei sichtbarer Langzeitbestrahlung stabil ist und eine konstante photochemische Wasserstoffentwicklung mit einem Elektronenspender für mindestens 50 Stunden zeigt.“ Die Wissenschaftler führten die hohe Quanteneffizienz des „kovalenten organischen Sulfongerüsts auf seine Kristallinität, seine starke Absorption von sichtbarem Licht und seine benetzbaren, hydrophilen 3,2 nm großen Mesoporen zurück.“ Sie argumentierten, dass der Einfluss dieser Poren auf das Gerüst zu „einer weiteren Steigerung der Wasserstoff-Entwicklungsrate um 61 % auf insgesamt 16,3 mmol g-1 h-1 führte. Das COF behielt auch seine photokatalytische Aktivität bei, wenn es als dünne Schicht auf einen Träger aufgetragen wurde.“

Kovalente organische Gerüste sind kürzlich als vielversprechende Photokatalysatoren für die Wasserstoffentwicklung in den Fokus gerückt. Hierbei handelt es sich um eine relativ neue Klasse kristalliner organischer Polymere, die aus leichten Elementen wie Sauerstoff, Bor und Stickstoff bestehen und durch starke kovalente Bindungen zu festen, porösen Strukturen verbunden sind. Unter einer kovalenten Bindung versteht man die interatomare Verknüpfung, die sich aus der gemeinsamen Nutzung eines Elektronenpaares zwischen zwei Atomen ergibt. Das Anwendungspotenzial von kovalenten organischen Gerüsten in zahlreichen Bereichen, einschließlich der Katalyse, organischen Elektronik und Energiespeicherung, hat sie zu einem attraktiven Forschungsthema gemacht.

Laut der CORDIS-Projektwebsite zielt das Projekt DYNAPORE, das die Studie finanziert hat, darauf ab, „synergische, multidisziplinäre experimentelle und rechnerische Fähigkeiten zu entwickeln, um die Dynamik flexibler kristalliner poröser Festkörper für Funktionen zu nutzen, die bei der Spaltung und Katalyse gezeigt wurden.“ Darüber hinaus „befasst sich das Projekt mit der langfristigen Vision von künstlichen Materialien mit chemischer Selektivität und funktionaler Effizienz, erzeugt durch dynamische strukturelle Flexibilität.“

Source: CORDIS, Pressemitteilung, 2018-11-23.