Neuartige Dose

Jan 06, 2024

Durch die nicht enden wollende Nachfrage nach kohlenstoffreichen Kraftstoffen zur Förderung der Wirtschaft gelangt immer mehr Kohlendioxid (CO2) in die Atmosphäre. Es werden zwar Anstrengungen unternommen, den CO2-Ausstoß zu reduzieren, doch dies allein kann den schädlichen Auswirkungen des bereits in der Atmosphäre vorhandenen Gases nicht entgegenwirken. Daher haben Wissenschaftler innovative Wege gefunden, um vorhandenes atmosphärisches CO2 zu nutzen, indem sie es in nützliche Chemikalien wie Ameisensäure (HCOOH) und Methanol umwandeln. Eine beliebte Methode zur Durchführung solcher Umwandlungen ist die Verwendung von sichtbarem Licht, um die Photoreduktion von CO2 über Photokatalysatoren voranzutreiben.

In einem kürzlichen Durchbruch veröffentlicht in Angewandte Chemie, Internationale Ausgabe am 8. Mai 2023, entwickelte ein Forscherteam unter der Leitung von Professor Kazuhiko Maeda vom Tokyo Institute of Technology ein Metall-organisches Gerüst (MOF) auf Zinnbasis, das eine selektive Photoreduktion von CO2 ermöglichen kann. Sie berichteten über ein neuartiges MOF auf Zinn(Sn)-Basis namens KGF-10 mit der Formel [SnII2(H3ttc)2.MeOH]n (H3ttc: Trithiocyanursäure und MeOH: Methanol). In Gegenwart von sichtbarem Licht wurde CO2 erfolgreich zu HCOOH reduziert. „Die meisten leistungsstarken Photokatalysatoren zur CO2-Reduktion, die durch sichtbares Licht betrieben werden, basieren auf seltenen Edelmetallen als Hauptkomponenten. Darüber hinaus ist die Integration der Funktionen der Lichtabsorption und Katalyse in eine einzige molekulare Einheit, die aus reichlich vorhandenen Metallen besteht, seit Langem eine Herausforderung.“ Daher war Sn der ideale Kandidat, da es beide Herausforderungen meistern kann“, erklärt Maeda.

MOFs, die das Beste aus Metallen und organischen Materialien vereinen, werden als nachhaltigere Alternative zu herkömmlichen Photokatalysatoren auf der Basis von Seltenerdmetallen erforscht. Sn, das für seine Fähigkeit bekannt ist, während einer photokatalytischen Reaktion sowohl als Katalysator als auch als Absorber zu fungieren, könnte ein vielversprechender Kandidat für MOF-basierte Photokatalysatoren sein. Während MOFs aus Zirkonium, Eisen und Blei umfassend erforscht wurden, ist über Sn-basierte MOFs nicht viel bekannt.

Für die Synthese des Sn-basierten MOF KGF-10 verwendeten die Forscher H3ttc, MeOH und Zinnchlorid als Ausgangsmaterialien und wählten 1,3-Dimethyl-2-phenyl-2,3-dihydro-1H-benzo[d]imidazol als Elektronendonor und Wasserstoffquelle. Das hergestellte KGF-10 wurde dann mehreren Analysetechniken unterzogen. Sie zeigten, dass das Material eine mäßige CO2-Adsorptionsfähigkeit aufwies, eine Bandlücke von 2,5 eV aufwies und sichtbare Lichtwellenlängen absorbierte.

Nachdem die Wissenschaftler die physikalischen und chemischen Eigenschaften des neuen Materials erkannt hatten, nutzten sie es, um die CO2-Reduktion in Gegenwart von sichtbarem Licht zu katalysieren. Sie fanden heraus, dass KGF-10 CO2 mit einer Selektivität von 99 Prozent erfolgreich zu Formiat (HCOO-) reduzierte, ohne dass ein zusätzlicher Photosensibilisator oder Katalysator erforderlich war. Es zeigte außerdem eine rekordverdächtige scheinbare Quantenausbeute – das Verhältnis der Anzahl der an der Reaktion beteiligten Elektronen zur Gesamtzahl der einfallenden Photonen – von 9,8 Prozent bei 400 nm. Darüber hinaus ergab die während der Reaktionen durchgeführte Strukturanalyse, dass KGF-10 strukturelle Veränderungen durchlief und gleichzeitig die photokatalytische Reduktion erleichterte.

In dieser Studie wurde erstmals ein hochleistungsfähiger, edelmetallfreier und einkomponentiger Photokatalysator auf Zinnbasis für die durch sichtbares Licht gesteuerte Reduktion von CO2 zu Formiat vorgestellt. Die vom Team nachgewiesenen hervorragenden Eigenschaften von KGF-10 würden neue Wege für seine Anwendung als Photokatalysator in Reaktionen wie der durch Sonnenenergie betriebenen CO2-Reduktion eröffnen. „Die Ergebnisse unserer Studie sind ein Beweis dafür, dass MOFs eine Plattform für die Schaffung herausragender photokatalytischer Funktionen sein können, die mit molekularen Metallkomplexen normalerweise nicht erreichbar sind, und zwar unter Verwendung ungiftiger, kostengünstiger und auf der Erde reichlich vorhandener Metalle“, schließt Maeda.

– Diese Pressemitteilung wurde vom Tokyo Institute of Technology bereitgestellt