Geträgerte Chalkogen-basierte Metallate für Fotokatalyse

Eine der größten Herausforderungen unserer heutigen Gesellschaft ist die drohende Energiekrise, die eng mit der Erderwärmung und den ständig steigenden Treibhausgasemissionen verbunden ist. Eine starke Verlagerung unserer politischen und wirtschaftlichen Entscheidungen ist unvermeidlich, wie etwa die rasch zunehmende Nachfrage nach erneuerbaren Energiequellen und der entsprechende Forschungshype im interdisziplinären Bereich der Materialchemie zeigen. Eine Lösung für dieses Problem ist die Nutzung der Solarenergie und deren direkte Umwandlung in erneuerbare Brennstoffe. Sie können zum Beispiel durch Fotokatalyse erzeugt werden, ein Prozess, bei dem die Energie von Lichtphotonen genutzt wird, um stabile, reichlich vorhandene Moleküle wie Wasser und Kohlendioxid in wertvolle Chemikalien wie Wasserstoff, Methanol oder Methan zu verwandeln. Solche fotokatalytischen Reaktionen sind jedoch sehr komplex und erfordern ein sensibles Design des Fotokatalysators - der Substanz, die in der Lage ist, Lichtenergie zu absorbieren und diese chemischen Umwandlungen einzuleiten. Um diese vielschichtige Aufgabe in diesem Projekt zu erfüllen, schlagen wir eine neuartige Strategie vor, die die Vorteile zweier Hauptbereiche der Fotokatalyse ergänzt. Homogene (molekulare) Fotokatalysatoren sind funktionell und strukturell abstimmbar und ermöglichen ein tiefes Verständnis der Reaktionsmechanismen und der Kinetik. Heterogene Fotokatalysatoren (Festkörperwerkstoffe) zeichnen sich durch eine hohe Oxidations-, Wärme- und Fotostabilität aus. Durch die Kombination der beiden Materialklassen sind neue synergistische Funktionen zu erwarten, die das Potenzial haben, bestehende Fotokatalytische Systeme grundlegend zu verbessern. Unsere Strategie ist es, vollständig anorganische molekulare Chalkogen-basierte Metallkatalysatoren (MCM), nämlich Polyoxometalate und Polythiometalate, auf die Oberfläche (SURF) funktioneller photoaktiver Substrate zu verdrahten, mit dem Ziel, SURF-MCM als eine Plattform zur Vereinigung homogener und heterogener Fotokatalyse zu etablieren. Wir werden dieses Konzept realisieren, indem wir (a) neue Syntheseprotokolle für verschiedene Cluster auf funktionellen halbleitenden Substraten entwickeln, (b) grundlegende Studien durchführen, um zu bewerten, wie sich die Verbindung auf Stabilität, Struktur und elektronische Eigenschaften beider Komponenten auswirkt. Schließlich werden wir (c) das Potenzial dieser neuen Fotokatalysatoren für die Wasserspaltung und die Umwandlung von Kohlendioxid in Kraftstoff untersuchen. Dies ist ein hochinnovativer Ansatz, der sich an der Schnittstelle verschiedener Forschungsbereiche befindet. Um diese anspruchsvolle Materialkombination zu realisieren, werden wir mit einem Team von Experten zusammenarbeiten. Unsere Gruppe an der TU Wien verfügt über umfangreiche Expertise in der Materialchemie (insbesondere Hybridmaterialien) und 10 Jahre praktische Erfahrung in der heterogenen Fotokatalyse mit Schwerpunkt auf grundlegenden Aspekten wie Interface Engineering, Entwurf von Heterostrukturen sowie Entwicklung und Verständnis von Co-Katalysatoren. Unsere Kooperationspartner Prof. C. Streb von der Universität Ulm und Prof. Rompel von der Universität Wien sind weltweit anerkannte Experten auf dem Gebiet der molekularen (Foto- )Katalyse und des Designs und der Synthese von MCM-Clustern. Wir gehen davon aus, dass die wissenschaftlichen Ergebnisse dieses Projekts nicht nur die Bereiche Photokatalyse und künstliche Photosynthese voranbringen, sondern auch zur Entwicklung anderer energie- und umweltbezogener Anwendungen wie Elektrokatalyse und Sensorik beitragen werden.

Photokatalyse ist ein Prozess, der die Energie des Sonnenlichts nutzt, um chemische Reaktionen zu erleichtern. Auf diese Weise kann Photokatalyse verwendet werden, um Wassermoleküle (H2O) in molekularen Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) zu spalten. Der auf diese Weise erzeugte Wasserstoff kann als eine wirklich grüne und nachhaltige Energiequelle betrachtet werden. Typische Photokatalysatoren - Materialien, die diese lichtgetriebene Reaktion ermöglichen - sind Feststoff-Nanopartikel und haben schlecht definierte Strukturen und Oberflächen. Zu ihren Vorteilen gehören eine hohe Oxidations-, Wärme- und Photostabilität, aber ihre undefinierte Natur schränkt unser katalytisches Verständnis ein, was es extrem schwierig macht, Photokatalysatoren mit hoher Aktivität und Selektivität zu entwickeln. Die ursprüngliche Idee dieses Projekts war es, einen neuen Ansatz zur Entwicklung von Photokatalysatoren zu entwickeln, indem typische Feststoff-Photokatalysatoren mit strukturell gut definierten molekularen Clustern kombiniert werden. Im Laufe von vier Jahren konnten wir die Machbarkeit dieses Ansatzes demonstrieren, indem wir zwei Gruppen solcher Cluster verwendeten: Thiometallate (Metall-Schwefel-Cluster) und Polyoxometallate (Metall-Sauerstoff-Cluster). Wir haben mehrere umfassende Beispiele geliefert, (1) wie diese Cluster auf der Oberfläche typischer Feststoff-Photokatalysatoren verankert (getragen) werden können, (2) wie diese Verankerung optimiert werden kann und (3) wie sich die Struktur dieser molekularen Cluster bei der Abscheidung verändern kann. Zusätzlich zu unseren detaillierten Forschungsarbeiten haben wir der wissenschaftlichen Gemeinschaft zwei umfassende Übersichtsarbeiten (Reviews) zur Verfügung gestellt, die auch in anderen Forschungsbereichen Aufmerksamkeit erregen könnten. Mehrere unserer hybriden Photosysteme haben sich außerdem als sehr aktiv bei der photokatalytischen Wasserspaltung erwiesen, was neue Richtungen für ihre Anwendung und Weiterentwicklung aufzeigt. Wir sind überzeugt, dass diese wissenschaftlichen Ergebnisse auch zur Entwicklung anderer energie- und umweltbezogener Anwendungen wie Elektrokatalyse und Sensorik beitragen werden.