Chemische Modifikationen von Polyheptazinimid: Kohlenstoff-Stickstoffbasierte Halbleiter mit verbesserter Struktur und elektronischen Eigenschaften für die komplette Wasserspaltung und neue photokatalytische Reaktion

• Antragsteller: Professor Dr. Markus Antonietti
• Fachliche Zuordnung: Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 322755296

Die direkte Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff an halbleitenden Photokatalysatoren ist eine an sich ideale Methode, Sonnenlicht zu nutzen. Die Kopplung von der photokatalytischen Wasserspaltung mit organischen Transformationen erlaubt darüber hinaus die Erweiterung von der Herstellung von Energieträgern, ohne dass fossile Rohstoffe genutzt werden müssen. Kürzlich wurde die Stoffgruppe der graphitischen polymeren Kohlenstoffnitride mit ihren halbleitenden, Pi-konjugierten elektronischen Eigenschaften intensiv in diese Richtung erforscht, da diese Lösung der künstlichen Photosynthese im Prinzip metallfrei, kostengünstig, stabil und nachhaltig ist. Dieser Effekt wurde zum ersten Mal von zwei der Antragsteller beschrieben. Obwohl seit dem ein doch deutlicher Fortschritt bei der Optimierung beider Halbreaktionen der Wasserspaltung zu beobachten ist, wurde die gleichzeitige, stöchiometrische Freisetzung von H2 und O2 nur sehr selten realisiert. Dies liegt zum einen an der sehr hohen Aktivierungsbarriere zur Bildung von Sauerstoff, zum anderen ist die Lage der Bänder der Halbleiter immer noch nicht optimal, was zu Verfügung stehende Überpotentiale angeht. Diese Fragen der kompletten Wasserspaltung an Kohlenstoffnitriden sollen in diesem Projekt durch Optimierung kinetischer und thermodynamischer Aspekte adressiert werden. Um das Ziel zu erreichen, wird ein Gemeinschaftsprojekt aus einen chinesischen und deutschen Teil vorgeschlagen, in dem der chinesische Partner (Wang) sich auf kinetische und katalytische Aspekte der Gasfreisetzung fokussiert, während eine deutsche Gruppe (Antonietti) die Struktur der Photokatalysatoren thermodynamisch an das Problem der Wasserspaltung anpasst. Eine zweite deutsche Gruppe (König) wendet dann diese optimierten Katalysatoren auch auf moderne Fragen organischer Phototransformationen an. Diese unserer Meinung nach ideale Kombination von Expertisen wird es ermöglichen, in diesem Projektverbund nicht nur Wasser photochemisch zur Erzeugung von Treibstoffen zu spalten, sondern auch den Mehrwert der organischen Photoredox-Synthese, potentiell gekoppelt an die Wasserspaltung, zu heben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Kooperationspartner: Professor Dr. Xinchen Wang