Kovalente organische Gerüste (COFs) sind eine besondere Klasse von Materialien, die aus miteinander verbundenen organischen Bausteinen bestehen, die durch starke chemische Bindungen zusammengehalten werden. COFs zeichnen sich durch gleichmäßig verteilte Atome und reichlich Leerräume im Inneren aus und können als Ausgangspunkt für die Entwicklung funktioneller kohlenstoffbasierter Materialien genutzt werden.
Wenn COFs hohen Temperaturen ausgesetzt werden, verlieren sie ihre zweidimensionale (2D) flache Form und werden zu einer dreidimensionalen (3D) Struktur. Um Katalysatoren für die Kohlendioxidreduktion (CO2RR) mit großer Porosität, hoher Leitfähigkeit und einer Fülle von Kantenstellen für dotierte Heteroatome zu erhalten, ist die Strukturkontrolle von COF-abgeleitetem Kohlenstoff von entscheidender Bedeutung, wird jedoch noch wenig erforscht.
Eine Forschungsgruppe unter Leitung von Prof. Zeng Gaofeng und Kohlenstoffe in verschiedenen Dimensionen, um CO2RR zu katalysieren. Die Studie wurde veröffentlicht in SusMat.
Die Forscher synthetisierten die 1D- bis 3D-COF-abgeleiteten Kohlenstoffe durch Templatpyrolysemethoden. Für den 1D-Kohlenstoff wurde eine COF-Schicht auf Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) als Templat abgeschieden, während für den 2D-Kohlenstoff COFs auf Graphen (Gr) abgeschieden wurden.
Die Forscher karbonisierten den COF-Vorläufer auch direkt, um 3D-Kohlenstoff zu erzeugen. Der in den Experimenten verwendete COF-Vorläufer war TP-BPY-COF, das mithilfe solvothermaler Methoden aus bestimmten Chemikalien synthetisiert wurde.
EXAFS-Spektren zeigten, dass die resultierenden COF-abgeleiteten Kohlenstoffmaterialien zahlreiche Stickstoff (N)-Zentren enthielten, die als katalytische Zentren fungierten, insbesondere in Form von CoN5. Unter den verschiedenen getesteten Katalysatoren zeigte der 1D-COF-basierte Katalysator aufgrund seiner starken Affinität zu CO2, einer höheren Anzahl defekter Stellen und einer überlegenen elektronischen Leitfähigkeit eine außergewöhnliche Leistung. Diese Eigenschaften führten im Vergleich zu den 2D- und 3D-Katalysatoren zu einer höheren CO2RR-Aktivität und Selektivität gegenüber dem gewünschten Produkt (CO).
Die Ergebnisse dieser Studie verdeutlichen nicht nur die Bedeutung der maßgeschneiderten Struktur von COF-abgeleiteten Kohlenstoffen, um ihre Wirksamkeit als Katalysatoren bei CO2-Reduktionsreaktionen zu verbessern, sondern bieten auch eine neue Perspektive für die Entwicklung effizienter COF-basierter Katalysatoren. Durch den Einsatz von COF-abgeleiteten Kohlenstoffmaterialien als Katalysatoren für die CO2-Elektroreduktion kann CO2 potenziell in wertvolle chemische Verbindungen oder sogar erneuerbare Kraftstoffe umgewandelt werden.
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Guojuan Liu et al., Dimensional Engineering von aus kovalenten organischen Gerüsten abgeleiteten Kohlenstoffen für die elektrokatalytische Kohlendioxidreduktion, SusMat (2023). DOI: 10.1002/sus2.167