Solarenergie: Wasserstoff für alle Jahreszeiten | 2020

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Anonim

Chemische Systeme, die durch lichtaktivierte Spaltung von Wassermolekülen Wasserstoffgas erzeugen können (häufig als künstliche Photosynthese bezeichnet), sind eine vielversprechende Technologie für die effiziente Speicherung von Sonnenenergie. Die bisher entwickelten Systeme weisen jedoch verschiedene Nachteile auf, und es werden intensive Anstrengungen unternommen, um alternative Verfahren zu finden, die sowohl praktischer als auch wirksamer sind. Die Chemiker unter der Leitung von Professorin Bettina Lotsch, die am Lehrstuhl für Chemie der LMU und am Stuttgarter Max-Planck-Institut für Festkörperforschung eine doppelte Berufung innehat, stellen nun eine neue Klasse poröser organischer Materialien vor, die als Grundlage für molekular abstimmbare Photokatalysatoren dienen können Lichtgetriebene Erzeugung von Wasserstoffgas. Die Forscher berichten über ihre Ergebnisse in der neuen Ausgabe des Online-Journals Naturkommunikation .

Lotsch und ihre Kollegen interessieren sich für die Eigenschaften und praktischen Anwendungen sogenannter kovalenter organischer Gerüste. Diese Materialien bestehen aus Schichten regelmäßiger zweidimensionaler molekularer Netzwerke, die aus einfachen organischen Vorläufern synthetisiert werden, und sie weisen eine Reihe von Merkmalen auf, die photokatalytische Prozesse erleichtern. "Sie bilden kristalline und poröse Halbleiter, deren chemische Eigenschaften für eine bestimmte Anwendung genau abgestimmt werden können", erklärt Bettina Lotsch. Sie werden bereits als mögliche Matrizen für die Speicherung von Gasen und für Anwendungen in der Sensorik untersucht und haben auch im Bereich der Optoelektronik ein erhebliches Potenzial.

Effizienter und wirtschaftlicher

In Zusammenarbeit mit der Gruppe um Christian Ochsenfeld, Professor für Theoretische Chemie an der LMU, haben Lotsch und ihr Team das Potenzial von porösen Polymeren als Photokatalysatoren untersucht. In ihrer neuesten Arbeit wählten sie sogenannte Triphenylarene als Grunduntereinheiten ihrer Modellmatrix. "Der große Vorteil dieser Materialklasse besteht darin, dass die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Netzwerks leicht für verschiedene Anwendungen konstruiert werden können, indem einfach die Struktur der Vorläufer geändert wird", sagt Vijay Vyas, Postdoc bei Bettina Lotsch am Max -Planck-Institut für Festkörperforschung. "Diese Flexibilität ermöglichte es uns, ihre Fähigkeit zur Erzeugung von Wasserstoff schrittweise zu modulieren. Ihre Leistungsparameter sind in diesem Zusammenhang vergleichbar mit denen etablierter Photokatalysatoren auf der Basis von Kohlenstoffnitrid und -oxiden." Die planaren Schichten des neuen Satzes von Verbindungen werden aus Hydrazin und einer Reihe aromatischer Trialdehyde synthetisiert. In der resultierenden Struktur sind die Trialdehyd-Untereinheiten durch Azin- (= N-N =) Brücken miteinander verbunden, um zweidimensionale Gitter zu bilden.

Photokatalysatoren auf Metallbasis sind häufig teuer in der Herstellung und schwierig zu modifizieren. "Da sich die Eigenschaften von COFs jedoch leicht und gezielt ändern lassen, können auch deren Leistungseigenschaften nach Belieben manipuliert werden", sagt Frederik Haase, ein Mitglied der Gruppe von Bettina Lotsch. Sie bieten daher eine Kombination von Merkmalen, die sie zur idealen Grundlage für die Entwicklung umweltfreundlicher und wirtschaftlicher Photokatalysatoren machen.

Bettina Lotsch fasst die Ergebnisse der Studie wie folgt zusammen: "Wir haben nun auf molekularer Ebene gezeigt, dass die strukturellen, morphologischen und optoelektronischen Eigenschaften von kovalenten organischen Gerüsten präzise abgestimmt werden können, um ihre photokatalytische Aktivität zu maximieren." Die Fortschritte der LMU-Chemiker versprechen daher, die Solarenergie als zukünftige nachhaltige Energiequelle noch attraktiver zu machen.