H2O2, ein grünes Oxidationsmittel und sauberer Kraftstoff, ist in der chemischen Industrie, bei Umweltbehandlungen und sogar in der Luft- und Raumfahrt stark gefragt. Traditionelle Produktionsmethoden basieren jedoch auf energieintensiven Prozessen, die nicht umweltfreundlich sind. Wissenschaftler haben nach einer umweltfreundlicheren Alternative gesucht und die Halbleiter-Photokatalyse, bei der Sonnenenergie zum Antreiben chemischer Reaktionen verwendet wird, hat sich als vielversprechende Lösung herausgestellt.
Bisher wurden verschiedene Photokatalysatoren wie TiO2, BiVO4, Metall-organische Komplexe und organische Polymere für die H2O2-Photosynthese untersucht. Kostengünstiges graphitisches Kohlenstoffnitrid (g-C3N4) hat aufgrund seines Elementreichtums, seiner hohen Strukturstabilität und seiner geeigneten Bandstruktur große Aufmerksamkeit bei der H2O2-Photosynthese erregt.
Die H2O2-Produktionseffizienz von herkömmlichem g-C3N4 ist jedoch aufgrund der schlechten Kristallinität und Selektivität bei der Zwei-Elektronen-Sauerstoffreduktionsreaktion (2e-ORR) stark eingeschränkt. Daher ist die Verbesserung der In-Plane-Kristallinität von massivem g-C3N4 eine wesentliche Voraussetzung, um die Sauerstoffreduktionsreaktion für eine effiziente photokatalytische H2O2-Produktion ausreichend auszulösen.
Kürzlich hat ein Forscherteam unter der Leitung von Prof. Yaorong Su von der Shenzhen Technology University in China diese Hindernisse auf geniale Weise überwunden. Sie entwickelten einen neuen Typ von Photokatalysator, hochgeordnete g-C3N4-Nanostäbe in der Ebene mit implantierten Bariumatomen (Ba). Diese Innovation verbessert nicht nur die Kristallinität in der Ebene, sondern induziert auch eine hochselektive 2e-ORR, die der Schlüssel zu einer effizienten H2O2-Produktion ist.
Die Ba-implantierten Nanostäbe entfalten ihre Magie, indem sie die Art und Weise verändern, wie Sauerstoffmoleküle (O2) mit dem Photokatalysator interagieren. Anstelle der typischen Side-on-Bindung, die die Wasserproduktion begünstigt, fördern die Ba-Atome eine günstigere End-on-Bindung. Diese Änderung verringert die Möglichkeit eines OO-Bindungsbruchs erheblich, unterdrückt effektiv die konkurrierende Vier-Elektronen-Reaktion und steigert die Produktion von H2O2.
Es wurde eine herausragende 6,1-fache Steigerung der H2O2-Produktionsrate im Vergleich zum ursprünglichen g-C3N4 erreicht. Dieser Durchbruch optimiert nicht nur den photokatalytischen Prozess der solarenergiebetriebenen H2O2-Photosynthese, sondern eröffnet auch neue Möglichkeiten für die Entwicklung effizienter Katalysatoren für die Umwandlung von Solarenergie in Kraftstoff und bringt uns einer nachhaltigen Zukunft näher.
Diese Arbeit erschien im Chinesisches Journal für Katalyse.
Mehr Informationen:
Aiyun Meng et al., Auf dem Weg zu hochselektiver H2O2-Photosynthese: In der Ebene hochgeordnete Kohlenstoffnitrid-Nanostäbe mit Implantation von Ba-Atomen, Chinesisches Journal für Katalyse (2024). DOI: 10.1016/S1872-2067(24)60008-2