Hetero-Nanostrukturen aus Metallorganischen Gerüstverbindungen auf Metalloxid-Substraten für die effiziente photoelektrochemische Wasserspaltung (MOFMOX)

• Antragsteller: Professor Dr. Roland A. Fischer
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Anorganische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 419949637

Die photoelektrochemische Wasserspaltung (PEC-WS) ist eine attraktive Strategie zur Umwandlung von Sonnenenergie in chemische Energie. Aufgrund ihrer inhärenten strukturellen und physikochemischen Eigenschaften sind poröse metallorganische Netzwerke (Metal-Organic Frameworks, MOF) vielversprechende Photokatalysatoren. Durch geschickte Wahl geeigneter organischer Linkermolekule, der Metallknoten und/oder Inkorporierung photoaktiver metallorganischer Komplexe kann (1) die Adsorption von Reaktanden, sowie die lokale Anreicherung und Aktivierung gesteuert, und (2) die Lichtabsorption und (3) die effektive Ladungstrennung modifiziert werden, was letztlich zu einer signifikanten Erhöhung der photokatalytischen Aktivität führen soll. Gleichwohl stellt die Steigerung der intrinsischen photokatalytischen Effizienz von MOFs in Hinblick auf Anwendungen eine große Herausforderung dar, was auf die Limitierung der Absorption sichtbaren Lichts, dem Energieverlust durch Rekombinierung der photolytisch generierten Ladungsträger, sowie der geringen Materialstabilitat zurück zu führen ist. Metalloxide, die weitaus tiefschürfender erforschte Materialien für die PEC-WS sind, weisen ähnliche Einschränkungen auf. Das Kooperationsprojekt zwischen den Gruppen an der TU München und der Palacky Universität Olmütz fußt auf der Kombinierung photoaktiver MOFs und Metalloxiden zu neuartigen photoaktiven Heteronanostrukturen, mit dem Ziel, die oben genannten Limitierungen zu verringern und somit die Effizienz der PEC-WS zu erhöhen. Die Ausnutzung der halbleitenden Eigenschaften eindimensionaler (1D) Metalloxide, kombiniert mit multifunktionalen MOFs eröffnet neue Möglichkeiten zur Entwicklung hochaktiver hybrider Photoelektroden für eine effiziente PEC-WS. Metalloxidhalbleiter (MOx), wie TiO2 und Alpha-Fe2O3, die 1D-Nanostrukturen aufweisen (Nanoröhren, -stäbe, -drähte), zeichnen sich im Vergleich zu den Volumenmaterialien durch einen Elektronentransport über lange Strecken, große spezifische Oberflächen und Porenvolumen, sowie erhöhte Lichtabsorption und –streuung aus. Erforscht wird die Herstellung hybrider Heteronanostrukturen mittels oberflächenselektivem Wachstum dünner MOF Schichten über 1D-Metalloxidnanostrukturen, um MOF@MOx Systeme zu erhalten (MOx = TiO2 und Alpha-Fe2O3). Wir erwarten, dass das multifunktionale Potenzial von MOFs im Allgemeinen, und im Speziellen der durch Ruthenium-modifizierten MOFs (Ru-MOFs) induzierte co-katalytische Effekt, in Kombination mit dem Grenzschichtkontakt der beiden Komponenten der Photoanode mittels der Dünnschichtwachstumsstrategie der MOFs auf 1D-MOx in synergistischer Weise zur Erhöhung der Effizienz der PEC-WS fuhrt. Darüber hinaus ist es vorgesehen, MOF@MOx als Wirtmaterialien zur Einlagerung verschiedenartiger Gast (G) Nanopartikel (NP), wie z.B. Au, Pt, Ag, bzw. kohlenstoffhaltiger Quantum Dots (CQD, z.B. dotierter Kohlenstoff bzw. –graphen) in MOF Poren zu verwenden, um so die Effizienz weiter zu steigern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Tschechische Republik
• Kooperationspartner: Privatdozent Dr.-Ing. Stepan Kment; Professor Dr. Radek Zboril