Wenn Defekt besser ist als Perfektion – Zeit für unvollkommene Katalysatoren

Forscher des IChF PAN haben gezeigt, wie man einen bestimmten Photokatalysator – Kohlenstoffnitrid – mit einer Struktur voller Unvollkommenheiten, sogenannter Defekte, herstellt. Es stellte sich heraus, dass dieser Katalysator bei der Erzeugung chemischer Reaktionen mit Sonnenenergie besser funktioniert als sein defektfreies Gegenstück.

Was wäre, wenn schädliche Schadstoffe in Gewässern oder Industrieabfällen mithilfe von Sonnenlicht abgebaut würden? Und dabei zusätzlich in verschiedenen Industrien nützliche chemische Verbindungen wie Wasserstoff oder Wasserstoffperoxid entstehen würden? In diese Richtung geht die Forschung des Teams von Prof. Juan Carlos Colmenares vom Institut für Physikalische Chemie der Polnischen Akademie der Wissenschaften – heißt es in einer Pressemitteilung seines Instituts.

Photokatalysatoren sind Materialien, die die Energie des Lichts so weit steigern, dass in einer bestimmten Umgebung gewünschte chemische Reaktionen stattfinden können. Photokatalysatoren bestehen aus Halbleiterverbindungen – meist auf Metallbasis (z. B. Oxiden oder Sulfiden). Dies ist ungünstig, wenn der Photokatalysator seine Funktion verliert und zu Abfall wird.

Glücklicherweise gibt es unter den Verbindungen mit Halbleitereigenschaften auch organische Verbindungen – mit Heteroatomen – die sich durch eine einzigartige Struktur auszeichnen. Eine davon ist graphitisches Kohlenstoffnitrid, auch bekannt als Carbonnitrid (CN), das ausschließlich auf Kohlenstoff und Stickstoff basiert. Dieses Material bildet eine Polymerstruktur.

Dieser metallfreie Halbleiter zeichnet sich durch eine hohe chemische Stabilität und geringe Aktivierungsenergie aus, was seinen Einsatz in solarbetriebenen Prozessen ermöglicht.

Dieses Material weist jedoch Nachteile auf – ineffizienten Elektronentransfer und Rekombination der erzeugten Ladungsträger. Diese Faktoren reduzieren die Effizienz lichtbeschleunigter Reaktionen erheblich. Um diese Einschränkungen zu überwinden, werden zahlreiche Maßnahmen ergriffen, um die Anzahl der Defekte in der Materialstruktur zu erhöhen und so die aktive Oberfläche im gesamten Materialvolumen zu vergrößern und die Effizienz des Photokatalysators zu verbessern.

Kürzlich führten Prof. Juan Carlos Colmenares vom Institut für Physikalische Chemie der Polnischen Akademie der Wissenschaften und sein Team Strukturdefekte in das polymere CN-Material ein, um dessen photokatalytische Effizienz zu erhöhen. Die Forscher präsentierten einen einfachen und effektiven Ansatz, der auf der gleichzeitigen Polymerisation zweier Monomere (basierend auf zwei Triazinen) durch thermische Polymerisation basiert.

Strukturdefekte werden bereits bei der Materialsynthese erzeugt. Dies stellt eine Vereinfachung im Vergleich zu herkömmlichen Methoden dar, bei denen Defekte erst nach der Synthese, meist in einem zusätzlichen Schritt, unter Einsatz aggressiver Chemikalien und hoher Temperaturen eingebracht werden.

Wie wir in den Informationen von IChF PAN lesen, zeichnet sich das synthetisierte defekte CN (d-CN) im Vergleich zu CN ohne Defekte durch eine viel größere spezifische Oberfläche aus: 134 m2/g. Das bedeutet, dass die Oberfläche des in nur einem Gramm verdichteten Materials größer ist als die Oberfläche eines klassischen Badmintonplatzes oder einer komfortablen Fünf-Personen-Wohnung! Das liegt daran, dass dieses Material voller Poren ist – seine Struktur ähnelt einem „Schwamm“. Dadurch haben die Reaktanten während der Reaktion besseren Zugang zur Katalysatoroberfläche.

Defektes d-CN übertraf alle bisher beschriebenen CN-basierten Photokatalysatoren bei der Produktion von Wasserstoffperoxid (H2O2) – einem wichtigen Oxidationsmittel. Die mit d-CN erzielte Effizienz war mehr als sechsmal höher als die der besten bekannten Alternativen, berichten Vertreter des IChF PAN.

Wichtig ist, dass das Material unter milden, ausgewogenen Bedingungen – ohne aggressive Oxidationsmittel und organische Lösungsmittel – deutlich effektiver arbeitet als „reines“ CN. Alles, was Sie benötigen, sind Wasser und eine 0,45-W-LED-Lichtquelle im sichtbaren Bereich bei Raumtemperatur.

Dank eines solchen Photokatalysators ist es möglich, aus verschmutztem Wasser Kraftstoffe und wertvolle Chemikalien herzustellen und es gleichzeitig zu reinigen.

So könne beispielsweise aus Benzylalkohol – einem umweltbelastenden Nebenprodukt unter anderem der Zellstoffindustrie – Benzaldehyd gewonnen werden, das wiederum in der Pharma- und Lebensmittelindustrie sowie bei der Herstellung von Duftstoffen und Parfümen breite Anwendung findet. Zudem sei es möglich, gleichzeitig Wasserstoff (H2) und/oder Wasserstoffperoxid (H2O2) zu produzieren, heißt es in der Mitteilung.

Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Chemical Communications veröffentlicht. (PAP)

lt/ zan/

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