Nachhaltige Produktion von Wasserstoffperoxid effizienter machen
Ein Forschungsteam hat einen optimierten Weg gefunden, um Wasserstoffperoxid nachhaltig herzustellen.
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Wasserstoffperoxid (H2O2) ist ein vielseitig einsetzbarer chemischer Rohstoff, dessen industrielle Herstellung überwiegend auf einem energieintensiven Verfahren beruht, das einen großen ökologischen Fußabdruck hinterlässt. Eine Alternative ist die Herstellung mithilfe eines Katalysators, der durch Licht aktiviert wird. In einem internationalen Forschungsprojekt unter der Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung haben Forschende nun eine Synthesestrategie entwickelt, mit der sie die räumliche Anordnung von Ionen in einem Kohlenstoffnitrid gezielt beeinflussen können. Der so hergestellte Fotokatalysator ist dreimal so effizient wie herkömmliche grüne Produktionsverfahren. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht.
Anna Lo Presti und Christian Mark Pelicano arbeiten am Fotokatalysator im Labor.
© MPIKG/Neubauer
Wasserstoffperoxid ist ein umweltfreundliches Oxidationsmittel. Bei seiner Zersetzung entstehen lediglich Wasser und Sauerstoff, weshalb es auch als „grüne Chemikalie“ bezeichnet wird. Aufgrund der steigenden Nachfrage – insbesondere in der umweltfreundlichen Abwasseraufbereitung und als haushaltsübliches und medizinisches Desinfektionsmittel – wächst die Produktionsmenge kontinuierlich an.
Um diesen Bedarf zu decken, erfolgt die Herstellung heute überwiegend über das sogenannte Anthrachinon-Verfahren, das hohe Energiekosten verursacht und einen erheblichen CO₂-Fußabdruck hinterlässt. Eine vielversprechende Alternative ist die Fotokatalyse. Dabei nimmt ein Material Licht auf und nutzt dessen Energie, um eine chemische Reaktion ganz ohne fossile Energie anzutreiben. Wie effizient diese Reaktion abläuft, hängt unter anderem davon ab, wie gut sich die durch Licht erzeugten Ladungen im Material bewegen und wie lange sie für die Reaktion zur Verfügung stehen.
Die Forschungsgruppe untersuchte daher, wie sich diese Eigenschaften bereits beim chemischen Aufbau des Fotokatalysators beeinflussen lassen. „Anstatt die chemische Zusammensetzung eines Fotokatalysators zu verändern, um ihn effizienter zu machen, haben wir versucht, die Anordnung der Bausteine zu verändern”, sagt korrespondierender Autor Dr. Christian M. Pelicano, der am Potsdamer Max-Planck-Institut die Forschungsgruppe “SunThesis” leitet und seit 2023 zu diesem Thema forscht.
Die Forschenden setzten dafür auf organisch-anorganische ionische Hybridkristalle. Diese ermöglichen es, die Verteilung der Ionen während der thermischen Umwandlung in das fertige Material exakt vorauszusagen. Die Gruppe entwickelte so das Material „CALiK“. Dabei handelt es sich um ein kristallines Kohlenstoffnitrid aus der Materialklasse der Polyheptazin-Imide (PHI), das Lithium- und Kaliumionen in einer räumlich kontrollierten Umgebung enthält.
„Diese Kristalle waren zwar bereits bekannt, aber wir waren die Ersten, die sie als Vorläufer für Kohlenstoffnitride verwendet haben. Was unser Interesse geweckt hat, war die Tatsache, dass sie dieselben chemischen Bestandteile enthalten wie die Vorläufer, die wir normalerweise verwenden. Der entscheidende Unterschied besteht darin, dass die Ionen bereits auf eine bestimmte Weise angeordnet sind, und wir haben uns gefragt, ob sich diese Anordnung auf das Kohlenstoffnitrid-Material übertragen lässt“, sagt Pelicano.
Bei herkömmlichen Herstellungsverfahren werden diese Ionen meist ungeordnet über eine Salzschmelze in das Material eingebracht. Dabei lässt sich ihre räumliche Verteilung nur begrenzt gezielt vorgeben. Vergleichsexperimente mit anders hergestellten Materialien halfen dem Team zu verstehen, welchen Einfluss die gewählte Synthesetrategie im Vergleich zur bloßen chemischen Zusammensetzung hat.
Eine vorgegebene Ionenanordnung verbessert die fotokatalytische Leistung
Unter den getesteten Bedingungen erzeugte CALiK etwa dreimal so viel Wasserstoffperoxid wie das herkömmlich hergestellte Vergleichsmaterial KPHI und etwa 40 Prozent mehr als das leistungsstärkste getestete Material, das nur eine Art von Kation enthielt, nämlich CALi. Bei Bestrahlung mit Licht einer Wellenlänge von 410 Nanometern erreichte CALiK eine scheinbare Quantenausbeute von 58 Prozent – den höchsten Wert unter den verglichenen Katalysatoren. Diese Kennzahl beschreibt, wie effektiv Lichtphotonen in Elektronen umgewandelt werden, die in die chemische Reaktion einfließen.
„Die räumliche Anordnung der Ionen im fertigen Material macht einen erheblichen Unterschied“, sagt Erstautorin Anna Lo Presti, die als Chemikerin zu diesem Thema am Max-Planck-Institut promoviert. „Wir konnten damit erstmals nachweisen, dass es nicht allein auf die Art oder Menge der Ionen ankommt, sondern auf ihre Position im Gitter.“
Um die Ursache für die höhere Leistung zu untersuchen, kombinierten die Forschenden strukturelle Analysen mit spektroskopischen und elektrochemischen Messungen. Dabei zeigte sich, dass sich in CALiK die durch Licht erzeugten Ladungen besser trennen und somit länger für die Reaktion im Sauerstoff zur Verfügung stehen. Ergänzende Berechnungen stützen, dass die räumliche Verteilung der Lithiumionen die elektrische Umgebung im Material verändert und so die Aktivierung von Sauerstoff erleichtert. Zu beachten ist jedoch, dass die Berechnungen auf vereinfachten Modellstrukturen beruhen und die Vorgänge im realen Material somit noch nicht vollständig abbilden. Die Studie liefert jedoch einen spannenden und intuitiven Ansatz, um polymere Fotokatalysatoren künftig schon bei ihrer Herstellung zu optimieren.
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