Überlegene Umwandlung von Licht in chemische Energie mit Coulomb-Dyaden

Inspiriert von der Photosynthese in der Natur nutzen Photokatalysatoren Licht, um eine chemische Reaktion auszulösen, die sonst nur bei hohen Temperaturen oder unter rauen Bedingungen ablaufen würde. Damit dieses Konzept breit und wirtschaftlich anwendbar ist, muss die Quanteneffizienz der lichtinduzierten Transformation hoch sein.

Maßgeschneiderte Photokatalysatoren mit herausragender Effizienz in photokatalytischen Anwendungen bestehen oft aus zwei photoaktiven Einheiten mit einer kovalenten Bindung dazwischen. Diese sogenannten molekularen Dyaden müssen in einer mehrstufigen Synthese hergestellt werden, weshalb sie für großtechnische Anwendungen zu teuer wären.

Ein Forscherteam um Prof. Dr. Christoph Kerzig von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) hat nun einen neuartigen Ansatz für die einfache Herstellung hocheffizienter Dyaden-Photokatalysatoren entdeckt.

Zwei im Handel erhältliche Salze werden gemischt und aufgrund anziehender elektrostatischer Wechselwirkungen, d. h. Coulomb-Wechselwirkungen, bilden die photoaktiven Einheiten ein Ionenpaar, das ihnen eine synergetische Interaktion ermöglicht.

„Das Konzept ist vergleichbar mit den attraktiven Wechselwirkungen zwischen den Natrium- und den Chloridionen in gewöhnlichem Speisesalz“, sagt Matthias Schmitz, Hauptautor dieser Studie, der seit 2022 an der Photokatalyse arbeitet. Das Manuskript ist veröffentlicht im Zeitschrift der American Chemical Society.

Ein völlig anderer Ansatz und hervorragende Ergebnisse bei ersten Testreaktionen

Derzeit versuchen viele Wissenschaftler, unedlen Metallen das Verhalten von etablierten Katalysatoren auf Basis teurer Elemente wie Iridium, Ruthenium oder Osmium beizubringen. Die Herstellung dieser auf der Erde reichlich vorhandenen Metall-Photokatalysatoren erfordert jedoch häufig anspruchsvolle Liganden und zeit- und ressourcenintensive Synthesen.

„Im Gegensatz dazu basiert unser Ansatz auf etablierten Photokatalysatoren, denen wir ‚einfach‘ kostengünstige Zusatzstoffe hinzufügen, um ihre Leistung und Haltbarkeit noch weiter zu verbessern“, erklärte Kerzig. „Diese Strategie hat das Potenzial, einen bestimmten metallbasierten Photokatalysator viel effizienter zu nutzen, so dass die erforderliche Katalysatormenge drastisch reduziert werden kann“, fügte er hinzu.

Die im vorliegenden Artikel beschriebenen Coulomb-Dyaden wurden mithilfe eines spektroskopisch gesteuerten Ansatzes identifiziert und optimiert. Großangelegte Lasergeräte der Kerzig-Gruppe wurden eingesetzt, um alle wichtigen Reaktionsschritte von der Lichtabsorption durch den Metallkomplex bis zur Aktivierung der Moleküle, die die Photonenenergie speichern, zu verstehen.

Zu den ersten Versuchsreaktionen mit der neuen Katalysatorklasse zählen unter anderem Reaktionen, bei denen neue chemische Bindungen zwischen zwei Kohlenstoffatomen geknüpft werden und die sogenannte Photooxygenierung eines aus Holz gewonnenen Ausgangsstoffes.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Coulomb-Dyade effektiver ist als etablierte und üblicherweise teurere Katalysatoren. Sonnenlicht und LED-generiertes Licht können somit effizienter genutzt und umgewandelt werden, was zu höherwertigen chemischen Produkten führt.

Laufende Arbeit an diesem vielseitigen Konzept

Zahlreiche weit verbreitete Photokatalysatoren sind ionischer Natur. Daher glauben die Forscher, dass der neue Ansatz das Potenzial hat, sich zu einer allgemeinen Strategie zur Verbesserung der Effizienz lichtgetriebener Reaktionen zu entwickeln.

Ihre vielversprechenden experimentellen Ergebnisse zeigen, dass das Lösungsmittel einen entscheidenden Einfluss hat. Je nach Lösungsmittel können durch die Kombination verschiedener photoaktiver Anionen und Kationen in einem Toolbox-Ansatz unterschiedliche Coulomb-Dyaden entworfen werden.

Die Forscher hoffen, dass ihre Forschung die Möglichkeit bietet, Photoreaktionen unter Verwendung der neuen Photokatalysatorklasse im industriellen Maßstab durchzuführen.