Chemieingenieure entwerfen einen Fahrplan für die Erforschung metallischer „Schwämme“ für sauberen Wasserstoff

Metallorganische Gerüste (MOFs) könnten einen erheblichen Effizienzschub bei der photokatalytischen Produktion von sauberem Wasserstoff bewirken. Chemieingenieure haben einen umfassenden Überblick über den Stand ihres Fachgebiets und einen Plan für die Schwerpunkte erstellt.

Die Produktion von sauberem Wasserstoff bleibt ein energieintensives und daher kostspieliges Unterfangen, das den Kampf gegen die globale Erwärmung behindert. Metallorganische Gerüste – praktisch winzige molekulare „Schwämme“ – scheinen aufgrund ihrer einzigartigen Struktureigenschaften die Effizienz der photokatalytischen Produktion von Wasserstoff radikal zu verbessern, doch die Erforschung dieses Themas steht vor erheblichen Herausforderungen. Eine Gruppe von Chemieingenieuren hat einen Überblick über den Stand des Fachgebiets mit einem Fahrplan erstellt, auf den sich die Untersuchungen konzentrieren sollten, um höchstwahrscheinlich Fortschritte zu erzielen.

Ihr Übersichtsartikel wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Polyoxometallate am 4. August 2023.

Wasserstoff wird für den sauberen Übergang weg von fossilen Brennstoffen notwendig sein, sei es als Energiespeichermechanismus, als Input für saubere Brennstoffe oder direkt als sauberer Brennstoff oder für die Produktion von dekarbonisiertem Stahl und Ammoniak. Aber der Wasserstoff selbst muss sauber hergestellt werden, indem Wasser in seine Bestandteile gespalten wird.

Leider ist eine solche Wasserspaltung ein Energiefresser, der die Kosten für die Produktion von sauberem Wasserstoff in die Höhe treibt. Wenn sauberer Wasserstoff mit der Produktion von schmutzigem Wasserstoff konkurrenzfähig sein soll – typischerweise durch die Spaltung von Methan, einem Treibhausgas –, muss die Wasserspaltung einige erhebliche Effizienzsteigerungen erzielen.

Eine viel diskutierte Möglichkeit zur Effizienzsteigerung ist die photokatalytische Wasserspaltung mit Hilfe von metallorganischen Gerüsten (MOFs).

Erstens aktiviert die Energie des Sonnenlichts den Photokatalysator – ein Material, das die Wasserspaltungsreaktion in Gang setzt und beschleunigt. Stellen Sie sich als nächstes eine Lego-ähnliche Struktur vor, bei der die Legosteine ​​jedoch stattdessen aus Metallclustern – einer großen Gruppe metallischer Atome – bestehen und die Verbindungselemente (oder „Linker“) zwischen ihnen organische Moleküle sind.

Diese Strukturen bilden poröse 3D-Netzwerke, die ähnlich wie Schwämme Flüssigkeiten in ihre Poren aufnehmen. Aber diese metallorganischen „Schwämme“, oder besser gesagt, metallorganische Gerüste (MOFs), sind so klein, dass sie auf molekularer Ebene wirken und es Wissenschaftlern ermöglichen, verschiedene Gase und Chemikalien darin einzuschließen, zu speichern oder zu trennen.

MOFs können aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften, insbesondere im Hinblick auf die Absorption des Sonnenlichts, das den gesamten photokatalytischen Wasserspaltungsprozess in Gang setzt, bahnbrechend für die photokatalytische Wasserspaltung sein.

Die Forschung zur Rolle von MOFs bei der photokatalytischen Wasserspaltung hat in den letzten Jahren explosionsartig zugenommen, und so hielten es die Autoren für an der Zeit, einen wissenschaftlichen Übersichtsartikel zu diesem Thema zu erstellen. Wissenschaftliche Rezensionsartikel sind wie „Best-of“-Musikalben für die Wissenschaft, in denen alle erfolgreichen Entdeckungen und Erkenntnisse zu einem Thema in einem umfassenden Überblick zusammengefasst werden. Sie fungieren als Kompasse für die wissenschaftliche Gemeinschaft, indem sie vergangene Forschungen zusammenfassen, um künftige Erkundungen zu leiten und Forschern dabei zu helfen, auf vorhandenem Wissen aufzubauen, anstatt das Rad neu zu erfinden.

Im Übersichtsartikel werden hier zunächst die wesentlichen Vorteile von MOFs dargelegt. Einige MOFs können Sonnenlicht absorbieren und die Energie dann auf andere Materialien übertragen oder direkt zum Antrieb der Wasserspaltungsreaktion nutzen.

Darüber hinaus hängt die Effizienz eines Photokatalysators weitgehend von seiner Fähigkeit ab, Elektronen anzuregen, um eine „Bandlücke“ vom Valenzniveau eines Atoms auf sein Leitungsniveau zu überspringen – wo diese angeregten Elektronen nun frei in einem elektrischen Strom fließen können. MOFs können entworfen und modifiziert werden, um ihre Bandlücken zu optimieren und sie so für die Absorption sichtbaren Lichts besser geeignet zu machen.

„MOFs haben aufgrund ihrer porösen Natur auch eine große Oberfläche“, sagte Huan Pang, einer der Autoren des Übersichtsartikels und Chemieingenieur an der Fakultät für Chemie und Chemieingenieurwesen der Universität Yangzhou. „Denken Sie an die gesamte innere Oberfläche, die die Poren umschließt.“

Diese zusätzliche Oberfläche bedeutet, dass MOFs eine größere Anzahl von Orten bieten, an denen die wasserspaltenden chemischen Reaktionen stattfinden können – Orte, die als „aktive Zentren“ bekannt sind. Mehr Orte für diese Reaktionen bedeuten eine höhere Effizienz bei der Wasserspaltung.

MOFs können auch als Träger für andere photokatalytische Materialien dienen und sicherstellen, dass diese stabil und dispergiert bleiben. Dies kann die Agglomeration (Verklumpung) photokatalytischer Partikel verhindern, was deren Effizienz verringern kann.

„Und einer der größten Vorteile von MOFs ist ihre Vielseitigkeit“, fügte Yang An, Mitautor des Artikels am Institut für Innovative Materialien und Energie der Yangzhou-Universität, hinzu. „Chemieingenieure können die MOF-Strukturen durch die Auswahl verschiedener Metalle und organischer Linker individuell anpassen und so MOFs entwerfen, die speziell auf die effiziente photokatalytische Wasserspaltung zugeschnitten sind.“

Die Autoren stellten auch einige der vielversprechendsten Ansätze zur Verbesserung der Verwendung von MOFs für die photokatalytische Wasserspaltung dar, insbesondere die Entwicklung von MOFs mit zwei aktiven Zentren – eines für beide Teile der chemischen Reaktion der Wasserspaltung – der „Wasserstoffentwicklungsreaktion“. und die „Sauerstoffentwicklungsreaktion“.

Doppelte aktive Stellen können mehr aktive Stellen für die Adsorption (den Prozess, bei dem sich die Moleküle einer Substanz an die Oberfläche einer anderen Substanz anlagern) und die Aktivierung von Wassermolekülen bereitstellen. In der Arbeit wird vorgeschlagen, dass die dualen aktiven Zentren durch die Einführung von zwei verschiedenen Arten von Metallionen oder organischen Linkern in die MOF-Struktur oder durch die Einführung eines Cokatalysators (Material, das in Verbindung mit einem Photokatalysator zur Verbesserung seiner Leistung verwendet wird) erreicht werden können (in diesem Fall beispielsweise ein Edelmetall) auf die MOF-Oberfläche.

Das Papier stellt jedoch auch fest, dass das Design und die Synthese von MOFs mit dualen aktiven Zentren immer noch eine anspruchsvolle Aufgabe bleiben. Dies liegt daran, dass eine genaue Kontrolle der MOF-Struktur und -Zusammensetzung erforderlich ist.

Darüber hinaus kann die Einführung von zwei verschiedenen Arten von Metallionen oder organischen Linkern in die MOF-Struktur oder die Einführung eines Cokatalysators auf der MOF-Oberfläche die Stabilität und Aktivität des MOF beeinträchtigen. Das Vorantreiben der Entwicklung von MOFs mit dualen aktiven Zentren erfordert eine sorgfältige Berücksichtigung von Faktoren wie der Größe und Form der MOF-Kristalle, so die Schlussfolgerung der Autoren, sowie der Anordnung der Atome, die das zentrale Metallion des MOFs umgeben, und der Wechselwirkungen zwischen dem MOF und der Co-Katalysator.

Schließlich legt das Papier nahe, dass die Leistung von MOFs mit dualen aktiven Zentren durch Faktoren wie die Beladungsmenge und -verteilung des Cokatalysators, die Oberfläche und Porosität des MOF sowie die Reaktionsbedingungen beeinflusst werden kann.