Химические системы, способные генерировать газообразный водород путем расщепления молекул воды под действием света (часто называемого искусственным фотосинтезом), представляют собой многообещающую технологию для эффективного хранения солнечной энергии. Однако системы, которые были разработаны до сих пор, страдают различными недостатками, и предпринимаются интенсивные усилия по поиску альтернативных процедур, которые являются как более практичными, так и эффективными.
Химики во главе с профессором Беттиной Лотч, которая имеет двойные назначения на химическом факультете LMU и в Институте исследования твердого тела Макса Планка в Штутгарте, теперь представляют новый класс пористых органических материалов, которые можно использовать в качестве основы для молекулярно настраиваемых фотокатализаторов для производство газообразного водорода на свету. Исследователи сообщают о своих выводах в новом выпуске онлайн-журнала Nature Communications.
Лотч и ее коллеги интересуются свойствами и практическим применением так называемых ковалентных органических каркасов. Эти материалы состоят из слоев регулярных двумерных молекулярных сетей, синтезированных из простых органических предшественников, и обладают рядом свойств, облегчающих фотокаталитические процессы. «Они образуют кристаллические и пористые полупроводники, химические свойства которых можно точно настроить для конкретного применения», — объясняет Беттина Лотч.
Они уже исследуются как возможные матрицы для хранения газов и для приложений в сенсорной технике, а также имеют значительный потенциал в области оптоэлектроники.
Более эффективный и экономичный
В сотрудничестве с группой под руководством Кристиана Оксенфельда, профессора теоретической химии в LMU, Лотч и ее команда изучали потенциал таких пористых полимеров, как фотокатализаторы. В своей последней работе они выбрали так называемые трифениларены в качестве основных субъединиц своей модельной матрицы. «Большим преимуществом этого класса материалов является то, что химические и физические свойства сети могут быть легко изменены для различных приложений, просто изменяя структуру предшественников», — говорит Виджей Вьяс, постдок группы Беттины Лотч в Max. Институт исследования твердого тела им.
Планка. «Эта гибкость позволила нам постепенно регулировать их способность производить водород. Их рабочие параметры в этом контексте сопоставимы с характеристиками известных фотокатализаторов на основе нитрида и оксидов углерода.«Планарные слои нового набора соединений синтезированы из гидразина и ряда ароматических триальдегидов.
В полученной структуре субъединицы триальдегида связаны между собой азиновыми (= N-N =) мостиками, образуя двумерные решетки.
Фотокатализаторы на основе металлов часто дороги в производстве и трудно модифицируются. «Но поскольку свойства COF могут быть легко и конкретно изменены, их рабочие характеристики также могут быть изменены по желанию», — говорит Фредерик Хаазе, член группы Беттины Лотч. Таким образом, они обладают комбинацией свойств, которые делают их идеальными в качестве основы для разработки экологически чистых и экономичных фотокатализаторов.
Беттина Лотч резюмирует результаты исследования следующим образом: «Теперь мы продемонстрировали на молекулярном уровне, что структурные, морфологические и оптоэлектронные свойства ковалентных органических каркасов могут быть точно настроены таким образом, чтобы максимизировать их фотокаталитическую активность."Таким образом, успехи химиков LMU обещают сделать солнечную энергию еще более привлекательной в качестве будущего источника устойчивой энергии.