Operando Studien von Photoaktiven MOFs

Der durch den Menschen verursachte steigende CO2-Ausstoß trägt maßgeblich zum fortschreitenden Klimawandel bei. Obwohl das Pariser Klimaabkommen ehrgeizig auf die Verringerung der CO2- Konzentration in der Luft abzielt, sind zur Zeit zugängliche Technologien noch nicht ausgereift. Eine Strategie, um den steigenden Treibhausgasemissionen zu begegnen, besteht darin, CO2 aus der Luft zu filtern und in Kraftstoffe oder chemische Bausteine umzuwandeln, die weiterverwendet werden können. Tatsächlich nutzen Pflanzen diese Strategie: Bei der Photosynthese nimmt die Pflanze CO2 aus der Luft auf und wandelt es allein mit Sonnenlicht in Kohlenhydrate um. Die Moleküle, die das für die Photosynthese benötigte Sonnenlicht absorbieren, werden Chlorophylle genannt. Der Nachteil des biologischen Systems besteht darin, dass es ständig abgebaut wird und vom Organismus erneuert werden muss. Aufbauend auf diesem Prinzip haben Forscher die wichtigen Schritte und beteiligten Moleküle innerhalb der Photosynthese herausgefunden und begonnen, sie in Materialien mit den gleichen Eigenschaften wie ihre natürlichen Vorbilder, aber ohne Zerfall, nachzuahmen. Als künstliche Pflanze werden überwiegend sogenannte metallorganische Gerüste (metal-organic frameworks) erforscht. Da metal- organic frameworks das LEGO des Chemikers sind, können Moleküle mit der Fähigkeit, Sonnenlicht zu absorbieren, leicht in ein stabiles Material eingebaut werden. In diesem Projekt werden metal-organic frameworks synthetisiert und der zugrunde liegende Mechanismus der Umwandlung von CO2 in wertvolle Chemikalien untersucht. Zu diesem Zweck wird eine Infrarotspektroskopie genannte Technik eingesetzt, die es erlaubt, die erzeugten Chemikalien zu unterscheiden und auch ihre Menge während der Photoreaktion zu bestimmen. Das Sammeln dieser Informationen bis zu jeder Mikrosekunde (zum Vergleich: ein Augenzwinkern dauert etwa 300 000 Mikrosekunden) hilft, den Reaktionsmechanismus zu verstehen. Dies ist wichtig, um das Material zu verbessern und ein metallorganisches Gerüst zu finden, das CO2 am effizientesten umsetzt.

Der durch den Menschen verursachte steigende CO2-Ausstoß trägt maßgeblich zum fortschreitenden Klimawandel bei. Obwohl das Pariser Klimaabkommen ehrgeizig auf die Verringerung der CO2-Konzentration in der Luft abzielt, sind zur Zeit zugängliche Technologien noch nicht ausgereift. Eine Strategie, um den steigenden Treibhausgasemissionen zu begegnen, besteht darin, CO2 aus der Luft zu filtern und in Kraftstoffe oder chemische Bausteine umzuwandeln, die weiterverwendet werden können. Tatsächlich nutzen Pflanzen diese Strategie: Bei der Photosynthese nimmt die Pflanze CO2 aus der Luft auf und wandelt es allein mit Sonnenlicht in Kohlenhydrate um. Die Moleküle, die das für die Photosynthese benötigte Sonnenlicht absorbieren, werden Chlorophylle genannt. Der Nachteil des biologischen Systems besteht darin, dass es ständig abgebaut wird und vom Organismus erneuert werden muss. Aufbauend auf diesem Prinzip haben Forscher die wichtigen Schritte und beteiligten Moleküle innerhalb der Photosynthese herausgefunden und begonnen, sie in Materialien mit den gleichen Eigenschaften wie ihre natürlichen Vorbilder, aber ohne Zerfall, nachzuahmen. Als "künstliche Pflanze" werden überwiegend sogenannte metallorganische Gerüste ("metal-organic frameworks") erforscht. Da metal-organic frameworks das LEGO des Chemikers sind, können Moleküle mit der Fähigkeit, Sonnenlicht zu absorbieren, leicht in ein stabiles Material eingebaut werden. In diesem Projekt werden metal-organic frameworks synthetisiert und der zugrunde liegende Mechanismus der Umwandlung von CO2 in wertvolle Chemikalien untersucht. Zu diesem Zweck wird eine "Infrarotspektroskopie" genannte Technik eingesetzt, die es erlaubt, die erzeugten Chemikalien zu unterscheiden und auch ihre Menge während der Photoreaktion zu bestimmen. Das Sammeln dieser Informationen bis zu jeder Mikrosekunde (zum Vergleich: ein Augenzwinkern dauert etwa 300 000 Mikrosekunden) hilft, den Reaktionsmechanismus zu verstehen. Dies ist wichtig, um das Material zu verbessern und ein metallorganisches Gerüst zu finden, das CO2 am effizientesten umsetzt.