Eine grüne Zukunft katalysieren
Hochmodulare Materialien auf Basis von MOFs weisen großes Potenzial für die photokatalytische Wasserstofferzeugung auf
Ein an der KAUST entwickelter wasserspaltender Photokatalysator auf der Basis eines metallorganischen Gerüstes (metal organic framework, MOF) hat die Forscher der Erzeugung von sauberem Wasserstoffbrennstoff unter Verwendung von Sonnenlicht einen Schritt näher gebracht.
Im MOF-Gerüst fungiert der organische Linker (grau) als Photonenantenne; ein Elektron aus dem Linker wird auf die Metallkette (rosa) übertragen und für die Produktion von H2 aus Wasser verwendet.
© 2020 Nikita Kolobov
"Die Nutzung der Sonnenenergie zur effizienten Herstellung grüner Brennstoffe ist für viele Katalyseforscher das ultimative Ziel", sagt Jorge Gascon, Direktor des KAUST-Katalysezentrums, der die Forschung leitete. Es bleibt jedoch nach wie vor eine Herausforderung, effiziente, langlebige und kostengünstige wasserspaltende Photokatalysatoren zu finden.
In Gascons Team besteht das Ziel darin, MOFs einzusetzen, um nachhaltige photokatalytische wasserspaltende Materialien zu finden. "Wir arbeiten mit MOFs, weil sie wie ein LEGO-Bauspielzeug sind - man hat verschiedene Teile, mit denen man spielen und variieren kann, um die gewünschten Eigenschaften zu erhalten", sagt Nikita Kolobov, ein Mitglied des Gascon-Teams.
MOFs bestehen aus Metallionen, die durch organische Linker auf Kohlenstoffbasis in einem hochgradig regelmäßigen und sich wiederholenden zwei- oder dreidimensionalen Array verbunden sind. Durch Variation des Metalls und der organischen Komponente kann eine vielfältige Familie von Materialien hergestellt werden. "Diese Modularität macht MOFs zu einer ausgezeichneten Plattform für die Entwicklung eines grundlegenden Verständnisses photokatalytischer Prozesse", sagt Gascon. "Wir können neue Konzepte in der Photokatalyse evaluieren, die sich mit anderen Materialklassen nur schwer oder gar nicht entwickeln und evaluieren lassen".
Für ihre jüngste Arbeit schufen Gascon, Kolobov, Amandine Cadiau und ihre Kollegen ein MOF, das Titanmetallionen mit H4TBAPy verwendete, einem organischen Linker, der bekanntermaßen Energie aus einem breiten Spektrum von Sonnenlicht absorbiert. Durch die Kombination von H4TBAPy mit Titan wollte das Team ein Material schaffen, das diese Energie effizient nutzen kann.
Das Titan in der lichtaktivierten MOF hatte die idealen Energieniveaus für den Wasserstofferzeugungsteil der photokatalytischen Wasserspaltung, wie das Team zeigte. "Der organische Teil des MOF wirkte wie eine Antenne, die Licht sammelte und diese Energie an den Metallknoten übertrug, der ihn aktivierte, um katalytische Transformationen durchzuführen", sagt Kolobov.
"Obwohl die Reaktionsaktivität des neuen MOF bei der Wasserstoffentwicklung im Vergleich zu einigen anorganischen Halbleitern bescheiden war, gehört seine Leistung bereits zu den besten MOF-Materialien auf Titanbasis", sagt Kolobov. "MOFs stecken noch in den Kinderschuhen, wenn es um photokatalytische Anwendungen geht", fügt er hinzu. "Wir glauben, dass der modulare Ansatz für ihre Konstruktion unbegrenzte Möglichkeiten zur Leistungsverbesserung bietet, und wir unternehmen die ersten Schritte in diese Richtung".
"Jeder Schritt zum besseren Verständnis der Funktionsweise von Katalysatoren unter Lichtbeleuchtung ist wichtig", sagt Gascon. "Unser Hauptziel im Moment ist es, neue MOF-Strukturen zu entwickeln, die in der Lage sind, die gesamte Wasserspaltung effizient durchzuführen.
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Originalveröffentlichung
Cadiau, A., Kolobov, N., Srinivasan, S., Goesten, M.G., Haspel, H., Bavykina, A.V., Tchalala, M.R., Maity, P., Goryachev, A., Poryvaev, A.S., Eddaoudi, M., Fedin, M.V., Mohammed, O.F. & Gascon, J.; "A new titanium metal organic framework with visible-light responsive photocatalytic activity"; Angewandte Chemie International Edition; advance online publication, 21 April 2020.
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