Ein Forschungsteam am Institut f\u00fcr Materialchemie der TU Wien unter der Leitung von Professor Dominik Eder hat einen neuen synthetischen Ansatz entwickelt, um langlebige, leitf\u00e4hige und katalytisch aktive Hybridger\u00fcstmaterialien f\u00fcr die (photo)elektrokatalytische Wasserspaltung herzustellen.<\/p>\n\n\n\n
Die Entwicklung von Technologien f\u00fcr nachhaltige Energietr\u00e4ger, wie Wasserstoff, ist von entscheidender Bedeutung. Ein vielversprechender Weg zur Erzeugung von Wasserstoff (H2) ist die Spaltung von Wasser in H2 und Sauerstoff (O2), entweder elektrochemisch oder mit Hilfe von Licht oder beidem \u2013 ein Weg, den das Team verfolgt. F\u00fcr diesen Prozess wird jedoch ein Katalysator ben\u00f6tigt, der die Reaktion beschleunigt, ohne selbst verbraucht zu werden. Zu den wichtigsten Kriterien f\u00fcr einen Katalysator geh\u00f6ren eine gro\u00dfe Oberfl\u00e4che f\u00fcr die Adsorption und Aufspaltung von Wassermolek\u00fclen sowie eine lange Haltbarkeit f\u00fcr den Langzeiteinsatz.<\/p>\n\n\n\n
Zeolithische Imidazolatger\u00fcste (ZIF), eine Klasse hybrider organischer\/anorganischer Materialien mit molekularen Grenzfl\u00e4chen und zahlreichen Poren, bieten als Katalysatoren Rekordoberfl\u00e4chen und reichlich Adsorptionsstellen f\u00fcr Wasser. Sie bestehen aus einzelnen Metallionen, z. B. Kobaltionen, die durch spezifische organische Molek\u00fcle, die so genannten Liganden, \u00fcber so genannte Koordinationsbindungen verbunden sind. Herk\u00f6mmliche ZIFs enthalten nur eine einzige Art von organischem Liganden. \u201eDiesen ZIFs fehlt es oft an Stabilit\u00e4t in Wasser unter elektrokatalytischen Bedingungen, um eine langfristige Anwendung zu gew\u00e4hrleisten. Au\u00dferdem schr\u00e4nkt ihre eher geringe elektronische Leitf\u00e4higkeit ihre Wirksamkeit in elektrokatalytischen Anwendungen ein\u201c, sagt Dominik Eder.<\/p>\n\n\n\n
Um diese Herausforderungen zu bew\u00e4ltigen, hat das Team eine Methode entwickelt, um ZIFs mit zwei oder mehr organischen Liganden zu entwerfen. \u201eWir mussten darauf achten, beide Liganden so zu mischen, dass eine gleichm\u00e4\u00dfige Verteilung im gesamten Ger\u00fcst entsteht und gleichzeitig die urspr\u00fcngliche ZIF-Struktur erhalten bleibt\u201c, erkl\u00e4rt Zheao Huang, der Hauptautor der Studie. Daher untersuchte das Team umfassend eine Reihe von Ligandenkombinationen und Prozessparametern und war schlie\u00dflich in der Lage, das am besten geeignete Ligandenpaar zu ermitteln.<\/p>\n\n\n\n
Synergistische Vorteile durch Mischung zweier organischer Liganden<\/h4>\n\n\n\n
Die Autoren fanden heraus, dass diese Modifikation die Stabilit\u00e4t des ZIF erheblich verbessert und seine Lebensdauer w\u00e4hrend der elektrokatalytischen Wasserspaltung von einigen Minuten auf mindestens einen Tag verl\u00e4ngert hat. Durch eingehende Untersuchungen mit einer breiten Palette experimenteller spektroskopischer und mikroskopischer Techniken, unterst\u00fctzt durch rechnerische Theorien in Zusammenarbeit mit der Central China Normal University, stellte das Team fest, dass die pr\u00e4zise Mischung der beiden Liganden die Koordinationsbindung mit dem Kobaltmetall synergetisch verst\u00e4rkte. Infolgedessen brach das por\u00f6se Ger\u00fcst w\u00e4hrend der (photo)elektrokatalytischen Tests nicht zusammen. \u201eStattdessen beobachteten wir, dass sich bereits nach wenigen Minuten der Reaktion ein sehr d\u00fcnner Film von nur wenigen Nanometern aus Kobalt-Sauerstoffhydroxid auf der Oberfl\u00e4che der ZIF-Nanopartikel bildete, der einen weiteren Abbau und Zusammenbruch verhinderte\u201c, sagt Huang Zheao.<\/p>\n\n\n\n
Dar\u00fcber hinaus hat die Kombination von zwei Liganden die Leitf\u00e4higkeit des ZIF-Materials um das Zehnfache erh\u00f6ht und damit auch die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) um das Zehnfache gesteigert. \u201eSimulationen ergaben, dass die beiden Liganden auf synergistische Weise interagieren und eine hohe Dichte an mobilen Ladungstr\u00e4gern im gesamten Material erzeugen\u201c, erkl\u00e4rt Dominik Eder und f\u00fcgt hinzu: \u201cObwohl wir mit dieser neuen Strategie einige Verbesserungen erwartet hatten, waren wir \u00fcberrascht, wie sehr sie die (photo)elektrokatalytische Leistung von ZIFs verbessert.\u201c<\/p>\n\n\n\n
Das Team erforscht nun diesen vielseitigen Ansatz f\u00fcr andere ZIFs sowie metallorganische Ger\u00fcste (MOFs), denen es ebenfalls an Stabilit\u00e4t und Leitf\u00e4higkeit f\u00fcr elektrokatalytische und (photo)elektrokatalytische Anwendungen mangelt. Dieser innovative Ansatz er\u00f6ffnet spannende M\u00f6glichkeiten f\u00fcr die Entwicklung fortschrittlicher Materialien f\u00fcr Katalyse, Sensorik und Solarenergieumwandlungstechnologien und bringt uns n\u00e4her an reale Anwendungen heran.<\/p>\n\n\n\n