Die Nutzung von erneuerbaren Energien gewinnt aufgrund der fortwährenden Energie- und Klimakrise zunehmend an Bedeutung. Sonnenenergie wird bereits für Strom- und Wärmeproduktion durch Photovoltaikanlagen oder Solarthermie vielfach verwendet.[1] Neben der Energiegewinnung durch nachhaltige Energiequellen spielt auch die Energiespeicherung eine wichtige Rolle. Verbunden werden können beide Herausforderungen in der photochemischen Herstellung von Energiespeichermolekülen.[2] Ein solches, aktuell häufig diskutiertes Molekül 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 primär über das Anthrachinon-Verfahren gewonnen. Dieses ist jedoch mit einem hohen Energieaufwand und Abfallaufkommen verbunden. Neben der Anwendung als Energiespeichermolekül 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]
Für 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 für engl. covalent triazine-based networkes) dar.[8]
Ziel des Promotionsprojektes ist es, eine neue, nachhaltige Synthesroute für hochaktive CTFs zu entwickeln und hinsichtlich der photochemischen Aktivität für die Transformation von Wasser zu Wasserstoffperoxid zu optimieren. Die Nachhaltigkeit der Synthese soll durch Verwendung einer Kugelmühlenreaktion erreicht werden. Diese ermöglichen es, kürzere Reaktionszeiten und höhere Reaktionsgeschwindigkeiten bei einem geringere Lösungsmittelbedarf zu realisieren.[9] In Vorarbeiten konnte bereits gezeigt werden, dass über eine mechanochemische Polykondensation von Dialdehyden mit Diamidinen hoch funktionalisierte CTFs hergestellt werden konnten. In der photokatalytischen Anwendung der H2O2‑Herstellung zeigten die Materialien zudem eine bedeutend höhere Aktivität im Vergleich zu einer analogen, nasschemischen Synthese.[10] Dieses Projekt bietet entsprechend eine Grundlage, hochaktive Photokatalysatoren schneller und nachhaltiger synthetisieren zu können, um eine alternative, grünere Herstellungsmöglichkeit für 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.