MOE-Fellowship

Leonie Sophie Häser

Mechanochemische Herstellung metallfreier, kovalenter Triazin-basierter Netzwerke f√ľr die photokatalytische Wasserstoffperoxid-Synthese

Die Nutzung von erneuerbaren Energien gewinnt aufgrund der fortw√§hrenden Energie- und Klimakrise zunehmend an Bedeutung. Sonnenenergie wird bereits f√ľr Strom- und W√§rmeproduktion durch Photovoltaikanlagen oder Solarthermie vielfach verwendet.[1] Neben der Energiegewinnung durch nachhaltige Energiequellen spielt auch die Energiespeicherung eine wichtige Rolle. Verbunden werden k√∂nnen beide Herausforderungen in der photochemischen Herstellung von Energiespeichermolek√ľlen.[2] Ein solches, aktuell h√§ufig diskutiertes Molek√ľl ist Wasserstoff. Da es aus der photochemischen oder elektrochemischen Spaltung von Wasser gewonnen werden kann und nur ungiftige Zerfallsprodukte bei Verbrennung produziert, stellt Wasserstoff eine vielversprechende, nachhaltige Energiequelle dar.[3] Allerdings ist die Lagerung und der Transport von Wasserstoff mit einem hohen Energieaufwand und Sicherheitsrisiko verbunden.[4]

Eine sicherere Alternative kann durch die Verwendung von Wasserstoffperoxid erreicht werden. Im Gegensatz zu molekularem Wasserstoff verbrennt H2O2 weniger leicht und kann einfach in Plastikflaschen gelagert und transportiert werden. Aktuell wird Wasserstoffperoxid industriell prim√§r √ľber das Anthrachinon-Verfahren gewonnen. Dieses ist jedoch mit einem hohen Energieaufwand und Abfallaufkommen verbunden. Neben der Anwendung als Energiespeichermolek√ľl wird Wasserstoffperoxid bereits in vielen verschiedenen Industriesektoren eingesetzt: Als Bleichungsmittel in der Papierindustrie, zum Desinfizieren und Reinigen, in der Aufarbeitung der Abwasserbehandlung und in der chemischen Industrie als ein umweltfreundliches Oxidationsmittel.[4,5] Wasserstoffperoxid kann, wie Wasserstoff, durch die photo- oder elektrochemische Transformation von Wasser nachhaltiger hergestellt werden.[6]

F√ľr die photochemische Transformation von Wasser zu Wasserstoffperoxid werden in der Literatur bereits verschiedene Systeme diskutiert.[7] Die Verwendung von rein organischen Netzwerken erlaubt es dabei, die Vorteile der heterogenen Katalyse, wie einfache Abtrennbarkeit und Aufarbeitung, in metallfreien Systemen zu vereinen. Eine solche Stoffklasse stellen die kovalenten Triazin-basierten Netzwerke (kurz CTFs f√ľr engl. covalent triazine-based networkes) dar.[8]

Ziel des Promotionsprojektes ist es, eine neue, nachhaltige Synthesroute f√ľr hochaktive CTFs zu entwickeln und hinsichtlich der photochemischen Aktivit√§t f√ľr die Transformation von Wasser zu Wasserstoffperoxid zu optimieren. Die Nachhaltigkeit der Synthese soll durch Verwendung einer Kugelm√ľhlenreaktion erreicht werden. Diese erm√∂glichen es, k√ľrzere Reaktionszeiten und h√∂here Reaktionsgeschwindigkeiten bei einem geringere L√∂sungsmittelbedarf zu realisieren.[9] In Vorarbeiten konnte bereits gezeigt werden, dass √ľber eine mechanochemische Polykondensation von Dialdehyden mit Diamidinen hoch funktionalisierte CTFs hergestellt werden konnten. In der photokatalytischen Anwendung der H2O2‚ÄĚ‚ÄėHerstellung zeigten die Materialien zudem eine bedeutend h√∂here Aktivit√§t im Vergleich zu einer analogen, nasschemischen Synthese.[10] Dieses Projekt bietet entsprechend eine Grundlage, hochaktive Photokatalysatoren schneller und nachhaltiger synthetisieren zu k√∂nnen, um eine alternative, gr√ľnere Herstellungsm√∂glichkeit f√ľr Wasserstoffperoxid unter Verwendung von Sonnenenergie zu schaffen.

 

[1]   N. Armaroli, V. Balzani, Angew. Chem. 2007, 46, 52.

[2]   a) Y. Kofuji, Y. Isobe, Y. Shiraishi, H. Sakamoto, S. Ichikawa, S. Tanaka, T. Hirai, ChemCatChem 2018, 10, 2070; b) Y. Kofuji, Y. Isobe, Y. Shiraishi, H. Sakamoto, S. Tanaka, S. Ichikawa, T. Hirai, J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 10019.

[3]   a) W. Lubitz, W. Tumas, Chem. Rev. 2007, 107, 3900; b) A. Midilli, M. Ay, I. Dincer, M. A. Rosen, Renew. Sust. Energ. Rev. 2005, 9, 255.

[4]   S. Fukuzumi, Y. Yamada, ChemElectroChem 2016, 3, 1978.

[5]   J. M. Campos-Martin, G. Blanco-Brieva, J. L. G. Fierro, Angew. Chem. 2006, 118, 7116.

[6]   X. Zeng, Y. Liu, X. Hu, X. Zhang, Green Chem. 2021, 23, 1466.

[7]   a) Y. Shiraishi, S. Kanazawa, Y. Kofuji, H. Sakamoto, S. Ichikawa, S. Tanaka, T. Hirai, Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 13454; b) M. Kou, Y. Wang, Y. Xu, L. Ye, Y. Huang, B. Jia, H. Li, J. Ren, Y. Deng, J. Chen et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202200413.

[8]   K. Wang, L.-M. Yang, X. Wang, L. Guo, G. Cheng, C. Zhang, S. Jin, B. Tan, A. Cooper, Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 14149.

[9]   A. Krusenbaum, S. Grätz, G. T. Tigineh, L. Borchardt, J. G. Kim, Chem. Soc. Rev. 2022, 51, 2873.

[10]       L. S. Häser, Masterarbeit, RWTH Aachen University, Aachen, 2023.


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