Ein Forschungsteam am Institut für Materialchemie der TU Wien unter der Leitung von Professor Dominik Eder hat einen neuen synthetischen Ansatz entwickelt, um langlebige, leitfähige und katalytisch aktive Hybridgerüstmaterialien für die (photo)elektrokatalytische Wasserspaltung herzustellen.

Poröse metall-organische Gerüstkatalysatoren

Die Entwicklung von Technologien für nachhaltige Energieträger, wie Wasserstoff, ist von entscheidender Bedeutung. Ein vielversprechender Weg zur Erzeugung von Wasserstoff (H2) ist die Spaltung von Wasser in H2 und Sauerstoff (O2), entweder elektrochemisch oder mit Hilfe von Licht oder beidem - ein Weg, den das Team verfolgt. Für diesen Prozess wird jedoch ein Katalysator benötigt, der die Reaktion beschleunigt, ohne selbst verbraucht zu werden. Zu den wichtigsten Kriterien für einen Katalysator gehören eine große Oberfläche für die Adsorption und Aufspaltung von Wassermolekülen sowie eine lange Haltbarkeit für den Langzeiteinsatz.

Zeolithische Imidazolatgerüste (ZIF), eine Klasse hybrider organischer/anorganischer Materialien mit molekularen Grenzflächen und zahlreichen Poren, bieten als Katalysatoren Rekordoberflächen und reichlich Adsorptionsstellen für Wasser. Sie bestehen aus einzelnen Metallionen, z. B. Kobaltionen, die durch spezifische organische Moleküle, die so genannten Liganden, über so genannte Koordinationsbindungen verbunden sind. Herkömmliche ZIFs enthalten nur eine einzige Art von organischem Liganden. "Diesen ZIFs fehlt es oft an Stabilität in Wasser unter elektrokatalytischen Bedingungen, um eine langfristige Anwendung zu gewährleisten. Außerdem schränkt ihre eher geringe elektronische Leitfähigkeit ihre Wirksamkeit in elektrokatalytischen Anwendungen ein", sagt Dominik Eder.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, hat das Team eine Methode entwickelt, um ZIFs mit zwei oder mehr organischen Liganden zu entwerfen. "Wir mussten darauf achten, beide Liganden so zu mischen, dass eine gleichmäßige Verteilung im gesamten Gerüst entsteht und gleichzeitig die ursprüngliche ZIF-Struktur erhalten bleibt", erklärt Zheao Huang, der Hauptautor der Studie. Daher untersuchte das Team umfassend eine Reihe von Ligandenkombinationen und Prozessparametern und war schließlich in der Lage, das am besten geeignete Ligandenpaar zu ermitteln.

Synergistische Vorteile durch Mischung zweier organischer Liganden

Die Autoren fanden heraus, dass diese Modifikation die Stabilität des ZIF erheblich verbessert und seine Lebensdauer während der elektrokatalytischen Wasserspaltung von einigen Minuten auf mindestens einen Tag verlängert hat. Durch eingehende Untersuchungen mit einer breiten Palette experimenteller spektroskopischer und mikroskopischer Techniken, unterstützt durch rechnerische Theorien in Zusammenarbeit mit der Central China Normal University, stellte das Team fest, dass die präzise Mischung der beiden Liganden die Koordinationsbindung mit dem Kobaltmetall synergetisch verstärkte. Infolgedessen brach das poröse Gerüst während der (photo)elektrokatalytischen Tests nicht zusammen. "Stattdessen beobachteten wir, dass sich bereits nach wenigen Minuten der Reaktion ein sehr dünner Film von nur wenigen Nanometern aus Kobalt-Sauerstoffhydroxid auf der Oberfläche der ZIF-Nanopartikel bildete, der einen weiteren Abbau und Zusammenbruch verhinderte", sagt Huang Zheao.

Darüber hinaus hat die Kombination von zwei Liganden die Leitfähigkeit des ZIF-Materials um das Zehnfache erhöht und damit auch die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) um das Zehnfache gesteigert. "Simulationen ergaben, dass die beiden Liganden auf synergistische Weise interagieren und eine hohe Dichte an mobilen Ladungsträgern im gesamten Material erzeugen", erklärt Dominik Eder und fügt hinzu: "Obwohl wir mit dieser neuen Strategie einige Verbesserungen erwartet hatten, waren wir überrascht, wie sehr sie die (photo)elektrokatalytische Leistung von ZIFs verbessert."

Das Team erforscht nun diesen vielseitigen Ansatz für andere ZIFs sowie metallorganische Gerüste (MOFs), denen es ebenfalls an Stabilität und Leitfähigkeit für elektrokatalytische und (photo)elektrokatalytische Anwendungen mangelt. Dieser innovative Ansatz eröffnet spannende Möglichkeiten für die Entwicklung fortschrittlicher Materialien für Katalyse, Sensorik und Solarenergieumwandlungstechnologien und bringt uns näher an reale Anwendungen heran.

Originalveröffentlichung

Ligand Engineering Enhances (Photo)Electrocatalytic Activity and Stability of Zeolitic Imidazolate Frameworks via In-situ Surface Reconstruction. Nature Communications. https://doi.org/10.1038/s41467-024-53385-0

Rückfragehinweis
Prof. Dominik Eder
TU Wien
Institut für Materialchemie
+43 1 58801 165400
dominik.eder@tuwien.ac.at

Projektass. Zheao Huang
TU Wien
Institut für Materialchemie
zheao.huang@tuwien.ac.at

Aussenderin
Sarah Link, M. A.
PR und Marketing
Technische Universität Wien
+43 664 605882412
sarah.link@tuwien.ac.at