Die photokatalytische Wasserspaltung mithilfe von Halbleitern gilt als vielversprechende Technik zur Herstellung von Wasserstoff als Brennstoff aus Sonnenenergie. Aufgrund der hohen Energiebarriere und der langsamen Kinetik hat sich die Halbreaktion der Sauerstoffentwicklung als Engpass für die gesamte photokatalytische Wasserspaltung erwiesen. Es ist eine große Herausforderung, effiziente Photokatalysatoren zur Förderung der Wasseroxidation zu entwickeln.
Ähnlich wie Graphenkohlenstoffnitrid haben π-gestapelte kovalente Triazingerüste (CTFs) in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit bei der photokatalytischen Wasserspaltung erlangt. Die vollständig konjugierte Struktur mit den regelmäßigen Kanälen im kristallinen Netzwerk bietet definierte Wege für einen effizienten Ladungsträgertransport und hemmt die Ladungsträgerrekombination.
Der hohe Stickstoffgehalt führt natürlich zum außergewöhnlichen heteroatomaren Effekt (HAE), der die Elektronenverteilung innerhalb der Struktur beeinflussen kann. Darüber hinaus zählen zu den klaren Vorteilen von CTFs ihre physikochemischen Eigenschaften wie die Position der Bandlücke und die Photoaktivität, die Möglichkeit der systematischen Abstimmung durch die Auswahl der Monomere, die Synthesestrategien und die Einführung eines Cokatalysators.
Zur Förderung der Effizienz der photokatalytischen Sauerstoffentwicklung wurden mehrere Strategien vorgeschlagen, darunter die Abstimmung elektronenspendender Phenyleinheiten, die Erhöhung der Kristallinität des Gerüsts und die Ablösung der Massenmaterialien in ultradünne Nanoblätter. Die meisten Bemühungen konzentrierten sich jedoch auf das Strukturdesign von CTFs oder die Verbesserung der Ladungsträgerübertragungseffizienz, während Cokatalysatoren weitgehend übersehen wurden.
Es ist zu beachten, dass die metallbasierten Cokatalysatoren aufgrund ihrer hohen Oberflächenenergien leicht zu Nanopartikeln aggregieren und nur ein kleiner Teil der Atome auf der Oberfläche dieser Nanopartikel als aktive Zentren angesehen werden kann, was die photokatalytische Effizienz stark verringert. Daher ist die Entwicklung hochkristalliner CTFs mit der geeigneten Energiebandstruktur in Kombination mit dem Einzelplatz-Cokatalysator, inspiriert durch den Einzelatomkatalysator, ein wirksamer Ansatz zur Erzielung einer leistungsstarken photokatalytischen OER.
Kürzlich haben Professor Bien Tan, Xiaoyan Wang und Mitarbeiter von der Huazhong University of Science and Technology, China, eine wirksame Strategie zur Verankerung einzelner Kobaltstellen in einem bipyridinbasierten kovalenten Triazingerüst (CTF-Bpy) vorgeschlagen, um die photokatalytische Sauerstoffentwicklung zu verbessern . Das Papier ist veröffentlicht im Chinesisches Journal für Katalyse.
Der neu entwickelte CTF-Bpy-Co-Katalysator zeigte bemerkenswerte Verbesserungen der photokatalytischen Sauerstoffentwicklungsleistung mit einer Sauerstoffentwicklungsrate von bis zu 3.359 μmol g–1 h–1 in der ersten Stunde und einer durchschnittlichen Sauerstoffentwicklungsrate von bis zu 1.503 μmol g–1 h–1 für 5 h (λ ≥ 420 nm), was die meisten der berichteten porösen organischen Polymere übertrifft.
Dieser innovative Ansatz kann wertvolle Erkenntnisse für die Erzielung einer überlegenen Leistung bei der photokatalytischen Gesamtwasserspaltung liefern, ohne dass Opferstoffe erforderlich sind.
Mehr Informationen:
Ruixue Sun et al., Verankerung einzelner Co-Stellen auf einem bipyridinbasierten kovalenten Triazin-Gerüst für eine effiziente photokatalytische Sauerstoffentwicklung, Chinesisches Journal für Katalyse (2023). DOI: 10.1016/S1872-2067(23)64552-8