Untersuchung heterogener Photokatalysatoren basierend auf TiO2-Graphen-Kompositen in selektiven synthetischen Transformationen

• Antragsteller: Professor Dr. Wolf Gero Schmidt; Professor Dr. René Wilhelm
• Fachliche Zuordnung: Organische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 413541925

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Entwicklung von Katalysatoren, die die Nutzung von Lichtquellen im sichtbaren Bereich (VIS), wie zum Beispiel Sonnenlicht, ermöglichen, ist für zahlreiche Anwendungen von besonderem Interesse. In dieser Studie haben wir verschiedene TiO2-GOx%-Hybridmaterialien hergestellt und charakterisiert. Diese Komposite wurden durch die Mischung von entweder randfunktionalisiertem Graphenoxid oder kommerziell erhältlichem Graphenoxid mit verschiedenen Arten von TiO2 erhalten. Zusätzlich haben wir den Einfluss von zwei verschiedenen synthetischen Routen für die Komposite untersucht. Der Herstellungsprozess beinhaltete das langsame Verdampfen des Lösungsmittels nach dem Mischen der Materialien und anschließende Wärmebehandlung (300-500°C) oder die mechanische Behandlung mit Ultraschall, um die gewünschten Komposite zu erhalten. Des Weiteren haben wir die photokatalytische Aktivität der verschiedenen Nanokomposite durch die Adsorption und den Abbau von Methylorange (MO) sowie ihre photokatalytische Aktivität in organischen Reaktionen untersucht. Um ein besseres Verständnis für die beobachtete verbesserte photokatalytische Aktivität mit Licht im sichtbaren Bereich mit den Graphenoxid/TiO2-Hybriden zu erlangen, haben wir Dichtefunktionaltheorie (DFT)-Berechnungen durchgeführt, um potenzielle beitragende Faktoren zu identifizieren. Dabei stellte sich heraus, dass Graphenoxid als Sensibilisator und nicht als Co-Katalysator fungiert und eine signifikante Verbesserung der photokatalytischen Aktivität erst nach dem Sintern beobachtet wurde. Diese Erkenntnisse bieten wertvolle Einblicke in die Mechanismen und das Verhalten der TiO2-GOx%-Komposite und könnten zur Entwicklung effizienterer und wirksamerer photokatalytischer Materialien für verschiedene Anwendungen führen. Wir führten Erstprinzipienberechnungen für die Gesamtenergie und die elektronische Struktur basierend auf Dichtefunktionaltheorie durch, um die Struktur und katalytischen Eigenschaften von Modellsystemen zu erforschen, die in Übereinstimmung mit dem synthetisierten Material ausgewählt wurden. Um die für die Photokatalyse relevanten angeregten Zustände zu berücksichtigen, nutzten wir Berechnungen über den Grundzustand der DFT hinaus, einschließlich eingeschränkter DFT, zeitabhängiger DFT und Vielteilchentheorie. Unsere Berechnungen zeigten, dass GO auch als Elektronenreservoir fungieren kann und nicht nur als Elektronen-Senke, wenn es mit TiO2 und anderen Photokatalysatoren kombiniert wird.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Water Splitting Reaction at Polar Lithium Niobate Surfaces. ACS Omega, 4(2), 3850-3859.
  Dues, Christof; Schmidt, Wolf Gero & Sanna, Simone
  
• A photoredox catalysed Heck reactionviahole transfer from a Ru(ii)-bis(terpyridine) complex to graphene oxide. RSC Advances, 10(70), 42930-42937.
  Rosenthal, Marta; Lindner, Jörg K. N.; Gerstmann, Uwe; Meier, Armin; Schmidt, W. Gero & Wilhelm, René
  
• Photocatalytic properties of graphene‐supported titania clusters from density‐functional theory. Journal of Computational Chemistry, 41(21), 1921-1930.
  Badalov, Sabuhi V.; Wilhelm, René & Schmidt, Wolf G.
  
• Photochemical Ring Opening of Oxirane Modeled by Constrained Density Functional Theory. ACS Omega, 5(37), 24057-24063.
  Krenz, Marvin; Gerstmann, Uwe & Schmidt, Wolf Gero
  
• Adatom mediated adsorption of N‐heterocyclic carbenes on Cu(111) and Au(111). Journal of Computational Chemistry, 43(6), 413-420.
  Jain, Mitisha; Gerstmann, Uwe; Schmidt, Wolf Gero & Aldahhak, Hazem
  
• Controlled growth of ordered monolayers of N-heterocyclic carbenes on silicon. Nature Chemistry, 13(9), 828-835.
  Franz, Martin; Chandola, Sandhya; Koy, Maximilian; Zielinski, Robert; Aldahhak, Hazem; Das, Mowpriya; Freitag, Matthias; Gerstmann, Uwe; Liebig, Denise; Hoffmann, Adrian Karl; Rosin, Maximilian; Schmidt, Wolf Gero; Hogan, Conor; Glorius, Frank; Esser, Norbert & Dähne, Mario
  
• Diquat Based Dyes: A New Class of Photoredox Catalysts and Their Use in Aerobic Thiocyanation. Chemistry – A European Journal, 29(22).
  Meier, Armin; Badalov, Sabuhi V.; Biktagirov, Timur; Schmidt, Wolf Gero & Wilhelm, René
  
• Rutile, anatase, brookite and titania thin film from Hubbard corrected and hybrid DFT. Materials Research Express, 10(7), 075501.
  Badalov, S. V.; Bocchini, A.; Wilhelm, R.; Kozub, A. L.; Gerstmann, U. & Schmidt, W. G.
  
• Synthesis of new graphene oxide/TiO2 and TiO2/SiO2 nanocomposites and their evaluation as photocatalysts. Catalysis Science & Technology, 13(15), 4367-4377.
  Rosenthal, Marta; Biktagirov, Timur; Schmidt, Wolf Gero & Wilhelm, René