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NIM nanosystems initiative munich
Meldung

Mittwoch, 13. Dezember 2017

Photokatalyse ohne Edelmetalle

Erneuerbare Energien

COF-basiertes photocatalytisches H2-bildendes System. Bild: T. Banerjee

COF-basiertes photocatalytisches H2-bildendes System. Bild: T. Banerjee

Erstmals gibt es ein Edelmetall-freies photokatalytisches System mit Cobaloximen statt Platin als Elektrokatalysatoren in einem kovalenten organischen Netzwerk-basierten System zur Wasserstoff-Gewinnung. Ein Team um die NIM-Wissenschaftlerin Prof. Bettina Lotsch entwickelte ein System zur Erzeugung von nachhaltigen Kraftstoffen aus Wasser mittels Photokatalyse.

Die Verwendung von Cobaloximen statt Platin als Elektrokatalysatoren in neuen kovalenten organischen Netzwerkmolekül-Photokatalysatoren führt zum ersten Edelmetall-freien photokatalytischen COF-basierten System. NIM-Professorin Öffnet externen Link in neuem FensterBettina Lotsch, die neben ihrer Arbeit an der Ludwig-Maximilians-Universität in München auch Direktorin am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart ist, entwickelte mit ihrer Gruppe diese vielversprechenden Kandidaten für die photokatalytische Wasserstoff-Herstellung, z. B. zur Anwendung in Brennstoffzellen. Ihre Ergebnisse für das neue System zur photokatalytischen Wasserstoffproduktion und Gewinnung von nachhaltigem Kraftstoff haben sie im Öffnet externen Link in neuem FensterJournal of the American Chemical Society veröffentlicht.

Sonnenenergie für die Wasserstoff-Gewinnung aus Wasser
Für die Gewinnung von Wasserstoff (H2) kann Wasser in einem künstlichen Photosynthese-Prozess photokatalytisch gespalten werden. Solche sauberen und erneuerbaren Systeme zur Energiegewinnung nutzen die Sonne als Lichtquelle. Photokatalyse beschreibt einen Prozess, bei dem durch die Zugabe eines Katalysators, der an der Reaktion beteiligt ist, aber nicht verändert wird, die Rate der Photoreaktion beschleunigt wird. Konventionelle fossile Brennstoffe sind in ihren Ressourcen begrenzt: Photokatalytisch erzeugter Wasserstoff könnte als nicht-fossiler Brennstoff breite Anwendung finden. „Die künstliche Photosynthese ist ein grundlegender Ansatz in der Speicherung von Sonnenenergie, beispielsweise für den thermodynamischen Antrieb chemischer Reaktionen. Die bekannteste Anwendung ist die Spaltung von Wasser zur Erzeugung von Kraftstoffen in Brennstoffzellen.“ erklärt Dr. Tanmay Banerjee.
Meist braucht es Licht-absorbierende Photokatalysatoren und Protonen-reduzierende Co-Katalysatoren für die Wasserstoff-Gewinnung mittels Photokatalyse. In bisher gezeigten Verfahren zur photokatalytischen H2-Erzeugung mit COF Photokatalysatoren dienten Edelmetalle wie Platin als Co-Katalysatoren. Ziel ist es aber diese durch in großer Menge natürlich vorkommende und günstige Materialien zu ersetzen. Lotsch beschreibt ihre Ausgangssituation folgendermaßen: „Ein solches System zu entwickeln ist eine Herausforderung, da molekulare Co-Katalysatoren meist nur begrenzt photostabil sind. Auch sind die Diffusions-kontrollierten Protonen-reduzierenden Prozesse meist langsam und bedürfen eines effizienten Lichtsammel- und Ladungstransport-Prozesses auf dem COF.“

COFs als photokatalytisches System
Photokatalytsiche Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser beginnt, wenn Licht auf den Photoabsorber trifft, in diesem Fall das kovalente organische Netzwerk. Das COF wird oxidiert, während die Elektronen auf den Co-Katalysator übergehen und somit Protonen zu Wasserstoff reduziert werden. Durch einen Elektronendonoren wie Triethanolamine (TEOA) wird das COF anschließend regeneriert.
Kovalente organische Netzwerke sind zwei- oder dreidimensionale Polymere, die ein poröses kristallines Rückgrat aus kovalent verknüpften organischen Molekülen besitzen. Diese robusten Strukturen bestehen vollständig aus den häufig vorkommenden Elementen Wasserstoff (H), Kohlenstoff (C) und Stickstoff (N). Die Möglichkeit zur zielgenauen Einbettung organischer Einheiten in die periodische Struktur macht sie zu einer variablen und individuell einstellbaren Plattform für Anwendungen wie der Photokatalyse.

Cobaloxime als neue Co-Katalysatoren in COFs
In der Gruppe von Professor Lotsch wird Platin als Co-Katalysator nun durch den nicht-Edelmetall Elektrokatalysator Cobaloxim ersetzt (braunes Molekül im Bild). Cobaloxime sind Komplexe aus dem häufig vorkommenden Element Cobalt mit Dimethylglyoxim-Liganden. Im Photokatalyse-Prozess zur Gewinnung von Wasserstoff dienen sie als künstliche Hydrogenasen die Protonen reduzieren.
„Unsere Untersuchungen von photokatalytischen Systemen aus COFs und Co-Katalysatoren aus häufig vorkommenden Elementen zeigen, dass es möglich ist, die Lage und Häufigkeit der photokatalytisch aktiven Zentren im robusten COF-Rückgrat präzise einzustellen.“ hebt Banerjee den Durchbruch ihrer Forschung hervor, und Lotsch fügt hinzu: „Die Kombination aus einem molekularen Co-Katalysator aus häufigen Elementen und molekular definierten COF-Photoabsorbern bietet ein fein justierbares photokatalytisches System, das der breiten Palette der synthetischen Chemie zugänglich ist. Es stellt einen entscheidenden Schritt hin zu nachhaltigen und bezahlbaren Photokatalyse-Anwendungen dar.“ Diese Entwicklung ist entscheidend auch im Hinblick auf die Umgehung von Edelmetallen, welche selten und teuer sind, und somit die limitierenden Faktoren in der Entwicklung von COF-basierten photokatalytischen Systemen waren.


Publikation:
Single-Site Photocatalytic H2 Evolution from Covalent Organic Frameworks with Molecular Cobaloxime Co-Catalysts. Banerjee T, Haase F, Savasci G, Gottschling K, Ochsenfeld C, Lotsch BV. J Am Chem Soc. 2017 Nov 15;139(45):16228-16234. doi: Öffnet externen Link in neuem Fenster10.1021/jacs.7b07489. Epub 2017 Nov 3.


Kontakt:

Prof. Dr. Bettina Valeska Lotsch
Department Chemie
Ludwig-Maximilians-Universität München
Butenandtstr. 5-13, Haus D
D - 81377 München

Tel: +49 (0)89 2180 - 77429

Email: Öffnet ein Fenster zum Versenden der E-Mailbettina.lotsch(at)cup.uni-muenchen.de

Web: Öffnet externen Link in neuem Fensterwww.cup.uni-muenchen.de/ac/lotsch/prof-lotsch.html


Prof. Dr. Bettina Lotsch
Nanochemie
Max-Planck-Institut für Festkörperforschung
Heisenbergstr. 1
D - 70569 Stuttgart

Tel: +49 (0)711 689 - 1610

Email: Öffnet ein Fenster zum Versenden der E-Mailb.lotsch(at)fkf.mpg.de

Web: Öffnet externen Link in neuem Fensterwww.fkf.mpg.de/171964/Prof_Dr_Bettina_V_Lotsch

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