Grenzflächen-Engineering von Halbleitern für hochselektive lichtgetriebene chemische Transformationen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Heterogene Photokatalyse und Photoelektrokatalyse sind potenziell leistungsfähige Methoden zur Durchführung nützlicher Redoxreaktionen mithilfe von Sonnenlicht oder kostengünstigen Lichtquellen (z. B. LEDs) unter milden Bedingungen: bei Umgebungsdruck und -temperatur sowie unter Verwendung allgegenwärtiger und nachhaltiger Reagenzien wie Wasser oder Luftsauerstoff. Der Einsatz von heterogener Photokatalyse und Photoelektrokatalyse für synthetische Zwecke ist besonders attraktiv, da er das Potenzial für wirtschaftlich rentable Anwendungen in kürzerer Zeit bietet, im Vergleich zur beispielsweise lichtgetriebenen Wasserstoffproduktion. Funktionale photo(elektro)katalytische Systeme für hochselektive Umwandlungen sind jedoch noch selten, und die Faktoren, die die Selektivität in der heterogenen Photokatalyse bestimmen, sind noch nicht gut verstanden, insbesondere im Vergleich zu konventionelleren katalytischen Prozessen wie der thermischen Katalyse oder der Elektrokatalyse. Zur Bewältigung dieser Herausforderungen wurden in diesem Projekt folgende wichtige Fortschritte erzielt: i) die Hypothese, dass die Grenzflächenenergetik die unterschiedlichen Selektivitätstrends bei elektro- und photoelektrokatalytischen Umwandlungen bestimmen, wurde experimentell für zwei verschiedene photoelektrokatalytische Systeme bestätigt; ii) konzeptionell neuartige photo- und photoelektrokatalytische Systeme für die selektive Synthese von Wasserstoffperoxid aus Sauerstoff wurden entwickelt; iii) neuartige Photoanoden zur selektiven Oxidation von Alkoholen auf Basis von ionischem Kohlenstoffnitrid wurden entwickelt, und ihre beispiellosen photoelektrochemischen (Photoreformierung von Alkoholen ohne angelegte Spannung) und photophysikalischen (schnelle Ladungsextraktion und Photodoping) Eigenschaften wurden identifiziert. Die Projektergebnisse stellen neue Beispiele für photo(elektro)katalytische Systeme für hochselektive lichtgetriebene chemische Umwandlungen dar und repräsentieren bedeutende Fortschritte im Verständnis grundlegender Aspekte der Selektivität in der heterogenen Photokatalyse.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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On the importance of catalysis in photocatalysis: Triggering of photocatalysis at well-defined anatase TiO2 crystals through facet-specific deposition of oxygen reduction cocatalyst. The Journal of Chemical Physics, 152(24).
Adler, Christiane; Mitoraj, Dariusz; Krivtsov, Igor & Beranek, Radim
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A Study in Red: The Overlooked Role of Azo‐Moieties in Polymeric Carbon Nitride Photocatalysts with Strongly Extended Optical Absorption. Chemistry – A European Journal, 27(68), 17188-17202.
Mitoraj, Dariusz; Krivtsov, Igor; Li, Chunyu; Rajagopal, Ashwene; Im, Changbin; Adler, Christiane; Köble, Kerstin; Khainakova, Olena; Hniopek, Julian; Neumann, Christof; Turchanin, Andrey; da Silva, Ivan; Schmitt, Michael; Leiter, Robert; Lehnert, Tibor; Popp, Jürgen; Kaiser, Ute; Jacob, Timo; Streb, Carsten ... & Beranek, Radim
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Facet-dependent activity of tailored anatase TiO2 crystals in photoanodes for photocatalytic fuel cells. Applied Surface Science, 566, 150662.
Mikrut, Paweł; Mitoraj, Dariusz; Beranek, Radim & Macyk, Wojciech
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Photodoping and Fast Charge Extraction in Ionic Carbon Nitride Photoanodes. Advanced Functional Materials, 31(45).
Adler, Christiane; Selim, Shababa; Krivtsov, Igor; Li, Chunyu; Mitoraj, Dariusz; Dietzek, Benjamin; Durrant, James R. & Beranek, Radim
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Sol−Gel Processing of Water‐Soluble Carbon Nitride Enables High‐Performance Photoanodes**. ChemSusChem, 14(10), 2170-2179.
Adler, Christiane; Krivtsov, Igor; Mitoraj, Dariusz; dos Santos‐Gómez, Lucía; García‐Granda, Santiago; Neumann, Christof; Kund, Julian; Kranz, Christine; Mizaikoff, Boris; Turchanin, Andrey & Beranek, Radim
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Benzaldehyde‐Promoted (Auto)Photocatalysis under Visible Light: Pitfalls and Opportunities in Photocatalytic H 2 O 2 Production**. ChemCatChem, 15(3).
Krivtsov, Igor; Vazirani, Ashish; Mitoraj, Dariusz & Beranek, Radim
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Enhancing Photocatalysis: Understanding the Mechanistic Diversity in Photocatalysts Modified with Single‐Atom Catalytic Sites. Advanced Science, 10(35).
Kruczała, Krzysztof; Neubert, Susann; Dhaka, Kapil; Mitoraj, Dariusz; Jánošíková, Petra; Adler, Christiane; Krivtsov, Igor; Patzsch, Julia; Bloh, Jonathan; Biskupek, Johannes; Kaiser, Ute; Hocking, Rosalie K.; Caspary, Toroker Maytal & Beranek, Radim
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Hydrophobized poly(heptazine imide) for highly effective photocatalytic hydrogen peroxide production in a biphasic fatty alcohol–water system. Journal of Materials Chemistry A, 11(5), 2314-2325.
Krivtsov, Igor; Vazirani, Ashish; Mitoraj, Dariusz; Elnagar, Mohamed M.; Neumann, Christof; Turchanin, Andrey; Patiño, Yolanda; Ordóñez, Salvador; Leiter, Robert; Lindén, Mika; Kaiser, Ute & Beranek, Radim
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Polymeric carbon nitride-based photocathodes for visible light-driven selective reduction of oxygen to hydrogen peroxide. Applied Catalysis A: General, 660, 119173.
Braun, Hanna; Mitoraj, Dariusz; Kuncewicz, Joanna; Hellmann, Andreas; Elnagar, Mohamed M.; Bansmann, Joachim; Kranz, Christine; Jacob, Timo; Macyk, Wojciech & Beranek, Radim
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Structure and Optical Properties of Polymeric Carbon Nitrides from Atomistic Simulations. Chemistry of Materials, 35(4), 1547-1559.
Im, Changbin; Kirchhoff, Björn; Krivtsov, Igor; Mitoraj, Dariusz; Beranek, Radim & Jacob, Timo
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Water-soluble ionic carbon nitride as unconventional stabilizer for highly catalytically active ultrafine gold nanoparticles. Nanoscale, 15(47), 19268-19281.
Elnagar, Mohamed M.; Liessem, Johannes; Im, Changbin; Mitoraj, Dariusz; Kibler, Ludwig A.; Neumann, Christof; Turchanin, Andrey; Leiter, Robert; Kaiser, Ute; Jacob, Timo; Krivtsov, Igor & Beranek, Radim
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"Structural Influence on Exciton Formation and the Critical Role of Dark Excitons in Polymeric Carbon Nitrides".
Ch. Im, R. Beranek & T. Jacob
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"Unraveling the Optical Signatures of Polymeric Carbon Nitrides: Insights into Stacking-Induced Excitonic Transitions".
Ch. Im, B. Kirchhoff, D. Mitoraj, I. Krivtsov, A. Farkas, R. Beranek & T. Jacob
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A robust and high performance copper silicide catalyst for electrochemical CO2 reduction. Materials Advances, 5(7), 2917-2925.
Dřínek, Vladislav; Dytrych, Pavel; Fajgar, Radek; Klementová, Mariana; Kupčík, Jaroslav; Kopeček, Jaromír; Svora, Petr; Koštejn, Martin; Jandová, Věra; Soukup, Karel & Beranek, Radim
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High-performance BiVO 4 photoanodes: elucidating the combined effects of Mo-doping and modification with cobalt polyoxometalate. Materials Advances, 5(11), 4932-4944.
Feng, Fan; Mitoraj, Dariusz; Gong, Ruihao; Gao, Dandan; Elnagar, Mohamed M.; Liu, Rongji; Beranek, Radim & Streb, Carsten
