TU Wien forscht an Hybridkatalysator für saubere Sauerstoffproduktion
Ein Forschungsteam der TU Wien hat eine Methode entwickelt, um die Stabilität und Leitfähigkeit von zeolithischen Imidazolatgerüsten (ZIFs) zu verbessern. Das kann die Leistung bei der (photo-)elektrokatalytischen Wasserspaltung steigern.
So sieht der schematische Vergleich der (photo-)elektrokatalytischen Reaktion und der Stabilität von Imidazolatgerüsten mit Einzel- und Mischliganden aus.
Foto: TU Wien
Die Entwicklung nachhaltiger Technologien zur Wasserstoffproduktion ist von entscheidender Bedeutung, und ein vielversprechender Ansatz ist die Wasserspaltung, bei der Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) mithilfe von Strom, Licht oder einer Kombination aus beiden gewonnen werden.
Für diesen Prozess sind Katalysatoren erforderlich, die die Reaktion beschleunigen, ohne sich selbst zu verbrauchen. Entscheidend für die Wirksamkeit solcher Katalysatoren sind eine große Oberfläche zur Spaltung der Wassermoleküle und eine hohe Haltbarkeit für den langfristigen Einsatz. Ein Team von Forschenden am Institut für Materialchemie der TU Wien, unter der Leitung von Professor Dominik Eder, hat nun eine neuartige Methode entwickelt, um stabile, leitfähige und katalytisch aktive Hybridgerüstmaterialien zu schaffen, die sich besonders gut für die (photo-)elektrokatalytische Wasserspaltung eignen.
Zeolithische Imidazolatgerüste (ZIFs): Herausforderungen bei Stabilität und Leitfähigkeit
Zeolithische Imidazolatgerüste (ZIFs) sind hybride Materialien, die aus organischen und anorganischen Bestandteilen bestehen. Sie haben viele Poren und bieten eine große Oberfläche sowie zahlreiche Stellen zur Absorption von Wasser, wodurch sie als Katalysatoren sehr effektiv sind. ZIFs bestehen aus Metallionen, zum Beispiel Kobalt, die mit speziellen organischen Molekülen, den sogenannten Liganden, durch Koordinationsbindungen verbunden sind. Herkömmliche ZIFs nutzen nur einen einzigen Typ von organischen Liganden.
„Diesen ZIFs fehlt es oft an Stabilität in Wasser unter elektrokatalytischen Bedingungen, um eine langfristige Anwendung zu gewährleisten. Außerdem schränkt ihre eher geringe elektronische Leitfähigkeit ihre Wirksamkeit in elektrokatalytischen Anwendungen ein“, erklärt Dominik Eder in einer Pressemitteilung.
Zwei Liganden für eine verbesserte Katalysatorstruktur
Das Team der TU Wien hat einen Ansatz entwickelt, um ZIFs mit zwei oder mehr organischen Liganden zu entwerfen. „Wir mussten darauf achten, beide Liganden so zu mischen, dass eine gleichmäßige Verteilung im gesamten Gerüst entsteht und gleichzeitig die ursprüngliche ZIF-Struktur erhalten bleibt“, sagt Zhehao Huang, der Hauptautor der Studie. Das Team hat eine Vielzahl von Ligandenkombinationen und Prozessparametern gründlich untersucht und konnte schließlich das optimalste Ligandenpaar identifizieren.
Gruppenleiter Prof. Dominik Eder (links) und Erstautor der Studie Zhehao Huang (rechts) entwickeln einen neuen synthetischen Ansatz, um langlebige Hybridgerüstmaterialien für Wasserspaltung herzustellen.
Foto: TU Wien
Lebensdauer durch Ligandenmischung deutlich verlängert
Die Forschenden fanden heraus, dass diese Modifikation die Stabilität des ZIF deutlich verbessert und seine Lebensdauer bei der elektrokatalytischen Wasserspaltung von nur wenigen Minuten auf mindestens einen Tag verlängert. Durch umfangreiche Untersuchungen mit einer breiten Palette experimenteller Techniken sowie rechnerischen Theorien in Zusammenarbeit mit der Central China Normal University stellte das Team fest, dass die gezielte Mischung der beiden Liganden die Koordinationsbindung mit dem Kobaltmetall verstärkte. Dadurch blieb das poröse Gerüst während der (photo-)elektrokatalytischen Tests stabil. „Stattdessen beobachteten wir, dass sich bereits nach wenigen Minuten der Reaktion ein sehr dünner Film von nur wenigen Nanometern aus Kobalt-Sauerstoffhydroxid auf der Oberfläche der ZIF-Nanopartikel bildete, der einen weiteren Abbau und Zusammenbruch verhinderte“, erklärt Zhehao Huang.
Neue Strategie steigert die Leitfähigkeit
Darüber hinaus führte die Kombination von zwei Liganden zu einer zehnfachen Erhöhung der Leitfähigkeit des ZIF-Materials, was auch die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) um das Zehnfache steigerte. Laut Dominik Eder ergaben Simulationen, dass die beiden Liganden auf synergistische Weise miteinander interagieren und eine hohe Dichte an mobilen Ladungsträgern im gesamten Material erzeugen. „Obwohl wir mit dieser neuen Strategie einige Verbesserungen erwartet hatten, waren wir überrascht, wie sehr sie die (photo-)elektrokatalytische Leistung von ZIFs verbessert“, sagte der Forscher.
Das Team untersucht nun diesen vielseitigen Ansatz für andere ZIFs sowie metallorganische Gerüste (MOFs), denen ebenfalls die Stabilität und Leitfähigkeit für elektrokatalytische und (photo-)elektrokatalytische Anwendungen fehlen. Dieser innovative Ansatz bietet vielversprechende Möglichkeiten für die Entwicklung neuer Materialien in Bereichen wie Katalyse, Sensorik und Solarenergieumwandlung und bringt uns so einen Schritt näher an praktische Anwendungen.
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