Leichte Katalysatoren für die künstliche Photosynthese
Aerogele aus Kohlenstoffnitrid vermitteln die photokatalytische Umwandlung von Wasser
Nanochemie trifft Makrostruktur: Chinesische Wissenschaftler haben aus Kohlenstoffnitrid-Nanoteilchen ein makroskopisches Aerogel hergestellt, das unter Einstrahlung von sichtbarem Licht die Spaltung von Wasser katalysiert. Die in der Zeitschrift Angewandte Chemie erschienene Studie eröffnet neue Möglichkeiten für Werkstoffe aus Kohlenstoffnitrid, deren Vorprodukt Melamin ist.
© Wiley-VCH
Melamin kann mit Formaldehyd in ein hartes und leichtes Harz polymerisiert werden, aber es lässt sich auch zu Nanostrukturen aus reinem Kohlenstoff und Stickstoff kondensieren: Kohlenstoffnitrid (CN). Dieses Material verbindet die bienenwabenförmige Netzstruktur des elektronisch aktiven Graphens mit der Extrafunktionalität von Stickstoff. Nanopartikel aus Kohlenstoffnitrid wollten Xinchen Wang und sein Team an der Fuzhou University in China in eine stabile und aktive makroskopische Architektur überführen. Sie stellten ein katalytisch hochaktives und stabiles Aerogel her, das interessante strukturelle und elektronische Eigenschaften aufweist und als Katalysator für die künstliche Photosynthese verwendet werden kann.
Aerogele sind Gele ohne Waser – bis zu neunundneunzig Prozent können sie aus Luft bestehen. Diese Porosität bedeutet eine enorm große Oberfläche mit den besten Eigenschaften für katalytische oder Sensor-Anwendungen. Wegen ihrer graphenartigen Struktur und Stickstoff-Funktionalität versucht man seit Langem, Kohlenstoffnitrid-Nanostrukturen kontrolliert zu einem makroskopischen Ensemble aufzubauen. "Weil CN sehr viele Stickstoff-Gruppen enthält, kann man davon ausgehen, dass CN ein interessantes Verhalten beim Aufbau makroskopischer Strukturen ähnlich dem von Proteinen oder Peptiden in biologischen Systemen aufweist", schreiben die Autoren.
Die vergrößerte Oberfläche und die höhere Anzahl von katalytischen Zentren sollte solche Aerogele als hoch funktionale makroskopische Materialien aufweisen. Um das Aerogel aus den Kohlenstoffnitrid-Nanopartikeln herzustellen, nutzten die Wissenschaftler lediglich die physikalischen Anziehungskräfte der Partikel selbst aus. Ein wässriges Kolloid der Kohlenstoffnitrid-Nanopartikel wandelten sie zunächst in ein Hydrogel um und machten daraus durch klassische Gefriertrocknung ein stabiles Aerogel. "Diese Methode hat mehrere Vorteile, einschließlich der möglichen Maßstabserhöhung für die Massenproduktion und geringer Kosten", berichten die Autoren. Mit einem Cokatalysator aus Platin erwies sich das Aerogel als deutlich effizienterer Photokatalysator für die Wasserstoffentwicklung als das ursprünglichen Kohlenstoffnitrid. Aus reinem Wasser produzierte es unter Einstrahlung von sichtbarem Licht Wasserstoffperoxid, was mit Kohlenstoffnitrid nicht gelang.
In der Kombination von chemischen und physikalischen Eigenschaften vom nano- bis zum makroskopischen Maßstab gelang den Autoren somit die Synthese eines neuen ultraleichten Materials mit ausgezeichneten katalytischen Eigenschaften. Diese zukunftsweisende Verwendung von Melamin als Grundbaustein könnte in neue Funktionsmaterialien münden. Diese Arbeiten unterscheiden sich deutlich von der bekannten Massenproduktion von leichten und harten Plastik-Melamin-Geschirrteilen, die nicht sehr hitzebeständig sind.
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