Ein Forscherteam hat ein metallorganisches Gerüst (MOF) entdeckt, das die Ladungsrekombination unterdrückt, die eine große Herausforderung bei der photokatalytischen Gesamtwasserspaltung darstellt. Ihr Studium war veröffentlicht In Naturchemie.
Die photokatalytische Gesamtwasserspaltung zur Wasserstoffproduktion gilt als die „Heilige Gral“-Reaktion der Chemie. Eine große Herausforderung bei dieser Reaktion besteht jedoch darin, die Rekombination von Elektronen und Löchern zu verhindern. Traditionelle Strategien zur Unterdrückung der Rekombination konzentrieren sich hauptsächlich auf die Grundzustandsstruktur des Katalysators, während die Elektron-Loch-Rekombination im angeregten Zustand stattfindet.
Inspiriert von der natürlichen Photosynthese, bei der Proteine Konformationsänderungen durchlaufen, um den Elektronentransfer zu stabilisieren, entwickelte das Forschungsteam einen neuen Ansatz, der auf den Strukturänderungen im angeregten Zustand basiert, die ein künstlicher Photokatalysator bei der Aufnahme von Elektronen durchläuft.
Das Team unter der Leitung von Prof. Jiang Hailong, Prof. Luo Yi und Prof. Jiang Jun von der University of Science and Technology of China (USTC) wählte ein MOF namens CFA-Zn aus, das aus geschlossenschaligem Zn2+ besteht Knoten, die durch zwei chemisch identische, aber kristallographisch unabhängige flexible organische Linker verbunden sind.
Diese Linker fungieren als Elektronendonor-Akzeptor-Paare, während die geschlossenschalige Struktur von Zn2+ für eine chemische Isolierung zwischen den Linkern sorgt. Diese einzigartige Konfiguration ermöglicht es CFA-Zn, eine dynamische, flexible Mikroumgebung ähnlich der in Pflanzenzellen zu schaffen. Bei der Photoanregung erfährt CFA-Zn eine strukturelle Drehung, die die Elektronen im angeregten Zustand stabilisiert, ihre Lebensdauer verlängert und eine effiziente Gesamtwasserspaltung ermöglicht.
In früheren Arbeiten erzielte das Team von Prof. Jiang Hailong eine Reihe von Fortschritten bei der Regulierung der Mikroumgebung um katalytische Zentren. Insbesondere nutzten sie die flexiblen Strukturen von MOF-Katalysatoren, um adaptive katalytische Zentren zu schaffen und so eine hohe Selektivität bei der CO2-Photoreduktion zu CH4 zu erreichen.
Aufbauend auf dieser Grundlage wurde in dieser neuen Studie ein dynamischer struktureller MOF-Photokatalysator eingesetzt, der die Strahlungsrelaxation unterdrückt und das Anwendungspotenzial für verschiedene photochemische Prozesse über die allgemeine Wasserspaltung hinaus demonstriert. Die Arbeit erhielt großes Lob von den Gutachtern, die sie als „ein neuartiges und bahnbrechendes Konzept“ und „eine aufregende Entwicklung“ hin zu effizienteren Photokatalysatoren bezeichneten.
Weitere Informationen:
Kang Sun et al., Dynamische Strukturverdrehung in metallorganischen Gerüsten verbessert die gesamte solare Wasserspaltung, Naturchemie (2024). DOI: 10.1038/s41557-024-01599-6