Neues Material reinigt und spaltet Wasser

Metallorganische Gerüste (MOFs) gehören heute zu den nützlichsten und vielseitigsten Materialien und zeigen strukturelle Vielseitigkeit, hohe Porosität und faszinierende optische und elektronische Eigenschaften. Diese Eigenschaften machen sie zu vielversprechenden Kandidaten für eine Vielzahl von Anwendungen, darunter Gaserfassung und -trennung, Sensoren und Photokatalysatoren.

Da MOFs sowohl in ihrer strukturellen Gestaltung als auch in ihrer Nützlichkeit so vielseitig sind, testen Materialwissenschaftler sie derzeit in einer Reihe von chemischen Anwendungen. Eine davon ist die Photokatalyse, ein Verfahren, bei dem ein lichtempfindliches Material mit Licht angeregt wird. Die absorbierte überschüssige Energie verdrängt Elektronen aus ihren Atombahnen und hinterlässt „Elektronenlöcher“. Die Erzeugung solcher Elektron-Loch-Paare ist ein entscheidender Prozess in jedem lichtabhängigen Energieprozess und ermöglicht es dem MOF in diesem Fall, eine Vielzahl von chemischen Reaktionen zu beeinflussen.

Ein Forscherteam der EPFL Sion unter der Leitung von Kyriakos Stylianou vom Labor für Molekulare Simulation hat nun ein MOF-basiertes System entwickelt, das nicht nur eine, sondern zwei Arten der Photokatalyse gleichzeitig durchführen kann: die Erzeugung von Wasserstoff und die Reinigung von Schadstoffen aus dem Wasser. Das Material enthält billiges, reichlich vorhandenes Nickelphosphid (Ni2P) und wurde für die effiziente Photokatalyse unter sichtbarem Licht entwickelt.

Die erste Art der Photokatalyse, die Wasserstofferzeugung, beinhaltet eine Reaktion namens „Wasserspaltung“. Wie der Name schon sagt, teilt die Reaktion Wassermoleküle in ihre Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff auf. Eine der größeren Anwendungen ist die Nutzung des Wasserstoffs für Brennstoffzellen, die heute in einer Vielzahl von Technologien, darunter Satelliten und Space Shuttles, zur Energieversorgung eingesetzt werden.

Die zweite Art der Photokatalyse wird als „organischer Schadstoffabbau“ bezeichnet, d.h. Prozesse, die die im Wasser vorhandenen Schadstoffe abbauen. Die Wissenschaftler untersuchten dieses innovative photokatalytische System auf MOF-Basis in Richtung des Abbaus des giftigen Farbstoffs Rhodamin B, der häufig zur Simulation organischer Schadstoffe verwendet wird.

Die Wissenschaftler führten beide Tests nacheinander durch und zeigten, dass das MOF-basierte photokatalytische System in der Lage war, die photokatalytische Erzeugung von Wasserstoff mit dem Abbau von Rhodamin B in einem einzigen Prozess zu integrieren. Damit ist es nun möglich, mit diesem photokatalytischen System sowohl Schadstoffe aus dem Wasser zu entfernen als auch gleichzeitig Wasserstoff zu erzeugen, der als Kraftstoff verwendet werden kann.

„Dieses edelmetallfreie photokatalytische System bringt den Bereich der Photokatalyse der praktischen „solarbetriebenen“ Anwendung einen Schritt näher und zeigt das große Potenzial der MOFs in diesem Bereich“, sagt Kyriakos Stylianou.

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