Photoelektrokatalyse mit porösen Koordinationspolymeren - Architekturdesign, Morphologiekontrolle und Transporteigenschaften

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Matthias Thomas Elm; Professorin Dr. Bettina Valeska Lotsch; Professor Dr. Jürgen Senker
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316685525

Das Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung einer integrierten MOF Plattform für die photoelektrokatalytische Wasserspaltung, um die in partikulären Systemen vorherrschende Verwendung von Opferdonoren bzw. -akzeptoren zu vermeiden. Unser Ansatz ist am weitgehend unerforschten Grenzgebiet zwischen MOF-Photokatalyse und Elektrokatalyse angesiedelt mit dem Ziel, fundamentale Prozesse des lichtinduzierten Ladungstransportes und der Redox-Katalyse in bioinspirierten MOF-Co-Katalysator-Hybridsystemen zu verstehen und zu kontrollieren. Eine Voraussetzung für das Design effizienter photoelektrochemischer Zellen ist die Entwicklung (i) hochporöser MOFs aus lichtabsorbierenden und elektronisch kommunizierenden Bausteinen und (ii) von Synthesestrategien für homogene, orientierte MOF Dünnfilm-Elektroden hoher Qualität. Unser Ansatz wird geleitet durch Einblicke in die Struktur, die Dynamik, die optische Eigenschaften und elektronische sowie ionische Transporteigenschaften der MOF Filme mit Hilfe der Festkörper-NMR- und Impedanz-Spektroskopie, sowie durch die (photo)elektrochemische Analyse der lichtgetriebenen Redox-Prozesse. Diese Erkenntnisse fließen in das Materialdesign ein, um langzeitstabile MOF-Photoelektroden mit reduzierter Überspannung für die Wasserstoff- und Sauerstoffentwicklung iterativ zu optimieren. Für dieses stark interdisziplinäre Projekt kombinieren die Gruppen von B. V. Lotsch, M. T. Elm und J. Senker ihre komplementären Expertisen in der Synthese und Charakterisierung von Struktur, Dynamik und Transporteigenschaften. Die Gruppe von B. Lotsch hat langjährige Expertise in der Synthese von MOF Nanomaterialien, dünner MOF-Filme und deren post-synthetischen Modifizierung. Aufbauend darauf werden zunächst Porphyrin- und Pyren-MOFs entwickelt und mit molekularen bzw. heterogenen Co-Katalysatoren kombiniert, um die licht-induzierten Multi-Elektronenredoxprozesse zu kontrollieren, gefolgt von der Abscheidung der Systeme in Form von Dünnfilmen. Zur strukturellen Charakterisierung stellt die Gruppe von J. Senker ein großes Repertoire moderner NMR-kristallographischer Methoden zur Verfügung. Ein zentrales Ziel ist die Entwicklung eines Dünnfilm-Probenkopfes, um die strukturelle Integrität und Porosität der MOF-Filme sowie den Einfluss des Confinements auf die katalytische Konversion analysieren zu können; außerdem soll der Mechanismus der licht-induzierten Bildung der Ladungsträger, deren Mobilität und die Lokalisierung der Exzitonen/Polaronen untersucht werden. Komplementäre Experimente werden von M. T. Elm durchgeführt, der Expertise für die Charakterisierung elektronischer und ionischer Transporteigenschaften mit Hilfe (photo)elektrochemischer Techniken vereint, darunter die Impedanzspektroskopie unter variierenden Umgebungsbedingungen. Auf diese Weise sollen Erkenntnisse über die Art der Ladungsträger, ihre Konzentration, Transport, sowie den Einfluss von Defekten auf die Transporteigenschaften und katalytische Effizienz gewonnen werden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1928: Koordinationsnetzwerke als Bausteine für Funktionssysteme