Neues COF-Material steigert Effizienz der Wasserstofferzeugung und verlängert die Ladungslebensdauer

Ein von Forschern des Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (NIMTE) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften entwickeltes Cumarin-verknüpftes Covalent Organic Framework (COF)-Material ebnet den Weg, um mithilfe von Sonnenlicht Wasserstoff aus Wasser abzuspalten. Während die Welt nach Wegen sucht, sich von fossilen Brennstoffen zu lösen, rücken erneuerbare Energiequellen wie Wind- und Solarenerpie zunehmend in den Fokus. Große Stromerzeugungsanlagen sind bereits entstanden und liefern kohlenstofffreie Energie ins Netz. Allerdings kann der so erzeugte Strom fossile Brennstoffe in Bereichen, die eine hohe Energiedichte erfordern, nicht vollständig ersetzen. In solchen Fällen ist Wasserstoff erneuerbaren Energien überlegen, da er wie ein kohlenstoffreicher Brennstoff verbrennt, dabei jedoch als Nebenprodukt lediglich Wasser entsteht und große Energiemengen freigesetzt werden.

Die Wasserstoffproduktion kann jedoch zu hohen CO2-Emissionen führen, was Forscher dazu motiviert, nach besseren Verfahren zu suchen. Ein Ansatz besteht darin, mithilfe von Sonnenlicht Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten – technisch als photokatalytische Wasserspaltung bezeichnet. Für photokatalytische Reaktionen greifen Wissenschaftler in der Regel auf organische Photokatalysatoren zurück – kohlenstoffbasierte Verbindungen, die sichtbares oder ultraviolettes Licht absorbieren und Elektronen in einen angeregten Zustand anheben können, um so die Wasserstofferzeugung zu unterstützen, was zur Bewältigung der globalen Energiekrise beitragen könnte. Allerdings rekombinieren die dabei erzeugten Elektronen und Löcher rasch wieder, was die Gesamteffizienz der Reaktion beeinträchtigt.

Herausforderungen der photokatalytischen Wasserspaltung

Daher wandten sich Wissenschaftler den Covalent Organic Frameworks (COFs) zu – porösen Polymeren, die aus organischen Molekülen bestehen, die über starke kovalente Bindungen verknüpft sind und sich in hohem Maße maßschneidern lassen. In herkömmlichen COFs führen die flexiblen Verknüpfungen zu Out-of-Plane-Rotationen, die die Energiedissipation verstärken und damit unter anderem die Effizienz des katalytischen Prozesses verringern. Daher führten die Forschenden des NIMTE in Zusammenarbeit mit Kollegen des Instituts für Physikalische Chemie und Technologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften starre, planare Cumarin-Verknüpfungen in vollständig konjugierte COFs ein.

Vorteile der Cumarin-Verknüpfung

Im Vergleich zu herkömmlichen Imin- und Vinyl-Verknüpfungen weisen Cumarin-Verknüpfungen eine höhere konformative Steifigkeit auf und unterdrücken so strukturelle Schwankungen. Darüber hinaus fördert die Verknüpfung die Delokalisierung von π-Elektronen, was den Ladungsträgertransport über lange Distanzen unterstützt und die Bandlücke verringert. Die Forschenden beobachteten, dass das Cumarin-verknüpfte COF eine verbesserte Ladungstrennung zeigt, wobei der Ladungstrennungszustand etwa 1.000-mal länger anhält als beim Imin-verknüpften Gegenstück. Bei Verwendung von Pt-Nanopartikeln als Cokatalysator werden die photogenerierten Elektronen aus dem COF innerhalb von rund 407 Pikosekunden auf das Pt übertragen, was die Wasserstoffbildung unterstützt.

Potenzial der Wasserstofferzeugungsrate

Unter Bestrahlung bei 440 nm erreicht das Cumarin-verknüpfte COF eine Wasserstofferzeugungsrate von 531 mmol g⁻¹ h⁻¹ und bei 405 nm eine Quantenausbeute von 37,95 %. Unter sichtbarem Licht oberhalb von 420 nm wird eine Wasserstofferzeugungsrate von 166 mmol g⁻¹ h⁻¹ erzielt, was das Potenzial für eine solarbetriebene Wasserstoffproduktion unterstreicht. Professor Zhang Tao vom NIMTE erklärte in einer Pressemitteilung: „Diese Arbeit bietet eine einfache und wirksame Strategie, um die Ladungsdynamik in konjugierten COFs durch Linker-Engineering gezielt einzustellen, und liefert Impulse für die Gestaltung und Anwendung hochleistungsfähiger organischer Photokatalysatoren in der solaren Wasserstoffproduktion.“

Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Synthesis veröffentlicht.

Auswirkungen des neuartigen COF-Materials auf die Wasserstoffproduktion

Angesichts der weltweit steigenden Nachfrage nach erneuerbaren Energien rückt das Potenzial von Wasserstoff als sauberer Energieträger verstärkt in den Mittelpunkt. Durch die Entwicklung neuartiger COF-Materialien haben Forschende die Effizienz der Wasserstofferzeugung wirksam gesteigert, was nicht nur zur Reduzierung der CO2-Emissionen beiträgt, sondern auch den Einsatz erneuerbarer Energien fördert. Das Cumarin-verknüpfte COF verbessert die Effizienz der Ladungstrennung und eröffnet damit neue Perspektiven für die Weiterentwicklung der Photokatalyse – was ihm eine mögliche Schlüsselrolle im künftigen Wandel des Energiesystems verleiht.