Hybride Nanomaterialien versprechen einen Nachhaltigkeitsschub für mehrere Branchen

01.11.2023

Nanohybride auf der Basis von Polyoxometallaten (POM) könnten in einer Vielzahl von Industriezweigen einen Schritt in Richtung Nachhaltigkeit darstellen, doch die Forschung zu diesen Stoffen steckt noch in den Kinderschuhen. Eine Gruppe von Forschern hat einen umfassenden Überblick über die Fortschritte in diesem Sektor und die noch zu bewältigenden Herausforderungen erstellt.

Eine neue Klasse von Hybridmaterialien im Nanomaßstab hat das Potenzial, die Nachhaltigkeit in den Bereichen Energiesysteme, Verkehr, Biosensoren, Wasseraufbereitung und sogar 3D-Druck zu verbessern, aber das Feld ist noch sehr jung. Eine Gruppe von Forschern hat einen detaillierten Überblick über den Stand der Dinge bei Nanohybriden auf der Basis von Polyoxometallaten (POM) erstellt und einen Weg für die Forschung in diesem zukunftsweisenden Bereich der Materialwissenschaft aufgezeigt.

In den letzten Jahrzehnten ist eine neue Klasse von Materialien im Nanomaßstab, oder einfacher gesagt Nanomaterialien, entstanden, bei denen eine einzelne Einheit Abmessungen im Bereich von 1-100 Nanometern aufweist. In diesem Maßstab können Materialien einzigartige und oft verbesserte physikalische, chemische und biologische Eigenschaften aufweisen, die sich von massiveren oder "Massen"-Materialien unterscheiden. Beispielsweise können Materialien im Nanomaßstab ein größeres Verhältnis von Oberfläche zu Volumen aufweisen, was ihre Reaktivität und ihre Fähigkeit, chemische Reaktionen zu katalysieren (auszulösen oder zu beschleunigen), erhöhen kann.

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Das wohl bekannteste Nanomaterial ist Graphen, aber Nanomaterialien können aus einer Vielzahl von Stoffen hergestellt werden, darunter Metalle, Halbleiter, Keramiken und Polymere. In jüngerer Zeit haben Forscher auch Nanohybride entwickelt. Dabei handelt es sich um Stoffe, die zwei oder mehr verschiedene Arten von Nanomaterialien miteinander kombinieren.

Von besonderem Interesse für die Forscher, vor allem für diejenigen, die eine nachhaltigere industrielle Produktion anstreben, sind Nanohybride auf der Basis von Polyoxometallaten (POM), die einzigartige katalytische Eigenschaften bei photoelektrochemischen Reaktionen aufweisen, d. h. bei der Erzeugung von Strom aus Licht oder der Aufspaltung von Wasser in sauberen Wasserstoff und Sauerstoff. Dies macht die POM-Nanohybride zu vielversprechenden Kandidaten für eine Vielzahl von Anwendungen, darunter die Umwandlung und Speicherung sauberer Energie sowie Sensoren und Elektronik, die nicht von der Nutzung schmutziger Energiequellen abhängen.

POMs sind eine sehr große Klasse billiger und stabiler anorganischer Verbindungen, die aus Metallionen bestehen, in der Regel Übergangsmetallen wie Wolfram oder Molybdän, die durch Sauerstoffatome zu einem dreidimensionalen Netzwerk verbunden sind. POM sind in der Regel große, komplexe Moleküle, die ein breites Spektrum an Formen und Größen haben können und eine Vielzahl interessanter und nützlicher Eigenschaften aufweisen.

"In den letzten Jahren ist die Forschung im Bereich der POM-Nanohybride geradezu explodiert, und wir dachten, es sei an der Zeit, eine Pause einzulegen und einen Überblick über den aktuellen Stand der Forschung zu erstellen, um mögliche Forschungslücken und Kontroversen aufzuzeigen", so Guangjin Zhang, korrespondierender Autor der Übersichtsarbeit und Chemiker am Key Laboratory of Green Process and Engineering der Chinesischen Akademien der Wissenschaften.

Wissenschaftliche Übersichtsarbeiten sind ein wesentlicher Bestandteil des wissenschaftlichen Prozesses und dienen dazu, den aktuellen Wissensstand zu einem bestimmten Thema in einem bestimmten Wissenschaftsbereich zusammenzufassen und kritisch zu bewerten, die Qualität und Zuverlässigkeit der vorhandenen Literatur zu beurteilen und künftige Forschungsrichtungen vorzuschlagen.

Die Autoren der Übersichtsarbeit kommen zu dem Schluss, dass die Attraktivität der POMs darin liegt, dass sie die photoelektrochemischen katalytischen Eigenschaften des resultierenden Nanohybridmaterials verbessern können. Dies liegt daran, dass POMs sowohl als Elektronenakzeptoren als auch als Elektronendonatoren fungieren können, wodurch sie die Übertragung elektrischer Ladung erleichtern und die Effizienz der entsprechenden Reaktionen verbessern. Noch besser ist, dass POMs auch selbst als Katalysatoren fungieren können, wodurch die katalytischen Eigenschaften des Nanohybridmaterials weiter verbessert werden.

In der Übersicht wird auch der Unterschied zwischen binären und ternären Nanohybriden auf POM-Basis erläutert, wobei erstere aus zwei und letztere aus drei funktionellen nanoskaligen Materialien bestehen. Die binären Nanohybride kombinieren POM und ein Metall, POM und einen Halbleiter oder POM und einen Nanokohlenstoff, während die ternären Nanohybride ein POM, ein Metall und einen Nanokohlenstoff kombinieren.

Die Autoren weisen darauf hin, dass binäre Nanohybride umfassend untersucht wurden und vielversprechende Ergebnisse in einer Reihe von Anwendungen, einschließlich Photokatalyse, Brennstoffzellen und Biosensoren, gezeigt haben. Ternäre Nanohybride hingegen haben das Potenzial, die einzigartigen Eigenschaften von drei verschiedenen Materialien zu kombinieren, was zu einer noch größeren Funktionalität und Vielseitigkeit führt.

Einer der vielversprechendsten Forschungsbereiche für beide Arten von Nanohybriden auf POM-Basis ist ihre Verwendung in der Photokatalyse, d. h. die Nutzung von Licht als Antrieb für chemische Reaktionen. Nanohybride auf POM-Basis haben das Potenzial, die Effizienz photokatalytischer Reaktionen zu verbessern, was wichtige Anwendungen in Bereichen wie der Umwandlung von Solarenergie und der Umweltsanierung nach sich ziehen könnte. Die Nanohybride könnten auch in Brennstoffzellen zum Einsatz kommen, die chemische Energie in elektrische Energie umwandeln, z. B. in wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen. Nanohybride auf POM-Basis haben das Potenzial, die Effizienz und Haltbarkeit von Brennstoffzellen zu verbessern.

Ein weiterer Bereich, der nichts mit nachhaltiger Energie zu tun hat, in dem Nanohybride auf POM-Basis vielversprechend sind, ist ihre Anwendung in Biosensoren, d. h. in Geräten, die biologische oder chemische Substanzen in einer Probe über Veränderungen der elektrischen Signale infolge biochemischer Reaktionen nachweisen und messen. Die große Oberfläche der Nanohybride und ihre Fähigkeit, Biomoleküle zu immobilisieren, machen sie neben anderen Eigenschaften besonders geeignet für den Einsatz in solchen Geräten. Forscher haben bereits Nanohybride auf POM-Basis zur Entwicklung von Biosensoren verwendet, die Substanzen wie Simazin und Wasserstoffperoxid mit hoher Empfindlichkeit nachweisen können. Diese Biosensoren haben das Potenzial, in einem breiten Spektrum von Anwendungen eingesetzt zu werden, von der medizinischen Diagnostik bis zur Umweltüberwachung. Weitere neue Anwendungen sind die Wasseraufbereitung, Halbleiter und der 3D-Druck.

Eine der größten Herausforderungen für die Forscher auf diesem Gebiet besteht darin, dass ternäre Nanohybride auf POM-Basis zwar eine noch bessere Leistung bieten, die Forschung aber noch in den Kinderschuhen steckt und das Verständnis der Eigenschaften und des Verhaltens ternärer Nanohybride noch begrenzt ist. Ihre potenziellen Anwendungen werden noch erforscht, und die Entwicklung und Optimierung von ternären Nanohybriden für spezifische Anwendungen kann eine Herausforderung darstellen. Darüber hinaus kann bei allen Arten von POM-Nanohybriden die Löslichkeit der POM-Moleküle in den Hybriden deren Leistung als Katalysatoren beeinträchtigen. Ihre ungleichmäßige Verteilung auf und in leitfähigen Stoffen bleibt ebenfalls ein hartnäckiges Problem, und bei der Kombination mit Metallen oder Metalloxiden ist die Kontrolle der Größe und Form der Partikel schwierig.

Die Autoren argumentieren, dass eine stärkere Konzentration auf ein grundlegendes Verständnis der Beziehung zwischen der Struktur der Hybride und ihrer chemischen Aktivität dazu beitragen sollte, diese Hindernisse für eine breitere Anwendung zu überwinden, und rufen zu einer breiteren Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Disziplinen auf, um dies zu erreichen.

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