Entwicklung kovalenter Triazin basierter Netzwerke zur effizienten photokatalytischen Umwandlung biogener Ressourcen

Stipendiatin/Stipendiat: Daniel Ditz

Angesichts der gesellschaftlichen Entwicklung der letzten Jahre und der zunehmenden Erschöpfung fossiler Rohstoffe gewinnt die Nutzung nachhaltiger Ressourcen und erneuerbarer Energie zunehmend an Bedeutung. Hierbei wird einerseits lignocellulosische Biomasse als eine der attraktivsten alternativen Kohlenstoffquellen betrachtet, da sie bereits heute weitläufig zur Verfügung steht und eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft erlauben würde. Anderseits rückt Solarenergie als größte regenerative Energiequelle immer mehr in den Fokus der Forschung. Diesbezüglich bieten photokatalytische Ansätze die Möglichkeit, beide Aspekte zu kombinieren, indem (Sonnen-)Licht ohne weitere Energieumwandlung direkt zur chemischen Verwertung biogener Ressourcen genutzt wird. Dadurch würde eine vollständig nachhaltige Wertschöpfungskette entstehen. Das Leistungsvermögen eines Photokatalysators hängt dabei jedoch von vielen Materialeigenschaften ab, die für jede Anwendung optimiert werden müssen. Daher ist das Ziel dieses Projektes Photokatalysatoren als Schlüsselelement einer solaren Bioraffinerie zu entwickeln.

Kovalente Triazin-basierten Netzwerke (kurz CTFs für engl. covalent triazine-based frameworks) bieten dabei aufgrund der kontrollierbaren Materialeigenschaften die ideale Basis. Es gilt die Einflüsse der molekularen Zusammensetzung und der Strukturierung des Materials auf die physikochemischen und optoelektronischen Eigenschaften zu analysieren und deren Effekt auf Aktivität und Selektivität in der Photoredoxkatalyse von biogenen Substraten zu verstehen. Hierfür werden die Materialien bezogen auf die Wahl des Monomers, der Syntheseroute und einer möglichen Metallbeladung systematisch variiert. Die Veränderung der Absorbanz, der Redoxpotentiale, der Ladungsseparation und des Ladungstransports, sowie der Polarität, der Stabilität und der Strukturierung werden charakterisiert. Als Modellreaktion steht zurzeit die Oxidation von 5‑Hydroxymethylfurfural (HMF) zu 2,5‑Diformylfuran und 2,5‑Furandicarbonsäure im Fokus des Projektes.

Im ersten Projektjahr wurde eine Grundlage geschaffen, um neuartige CTF Materialien eindeutig zu charakterisieren und ihre photokatalytische Aktivität in der HMF Oxidation zu testen. Mit Hilfe der Methode der statistischen Versuchsplanung konnte der Einfluss der wesentlichen Prozessparameter identifiziert und optimiert werden. Darüber hinaus konnte eine Standardsyntheseroute mit der Polykondensation von Diamidinen mit Dialkoholen ausgemacht werden, worüber derzeit die besten Netzwerkeigenschaften erhalten werden. In der Zukunft sollen durch weitere Analytik die Struktur-Eigenschafts- und Aktivitätsbeziehungen eindeutig nachgewiesen werden, damit das Kapitel Netzwerk Design zum Abschluss kommt. Insbesondere der Einfluss der Endgruppen wird hierbei noch detailliert untersucht, indem das Netzwerk gezielt (de‑)funktionalisiert wird.

Im folgenden Jahr steht die Variation der Monomere zur Darstellung neuartiger CTF-Photokatalysatoren im Fokus des Promotionsvorhabens, um den Einfluss der elektronischen Struktur der CTFs zu verstehen. Neben Materialien aus einem Monomer werden auch Kombinationen unterschiedlicher Monomere betrachtet, da sich so Elektronendonor und ‑akzeptor Eigenschaften in die molekulare Struktur integrieren lassen. Dies kann die Ladungsseparation der generierten Ladungsträger fördern, folglich die Rekombination senken und die Effizienz der Materialien steigern. Zusätzlich sollen erste Versuche mit metallbeladenen CTFs durchgeführt werden, um eventuell interessante Interaktionen (wie ggf. eine veränderte Kinetik) zu beobachten. Im dritten Projektjahr sollen die gewonnen Erkenntnisse auf die Photoreduktion von Lävulinsäure übertragen werden, um das Potential von CTFs für eine solare Bioraffinerie zu unterstreichen.

Förderzeitraum:
01.01.2020 - 31.12.2022

Institut:
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen Institut für Technische und Makromolekulare Chemie Lehrstuhl für Heterogene Katalyse und Technische Chemie

Betreuer:
Prof. Dr. Regina Palkovits

E-Mail: E-Mail schreiben

URL: https://www.itmc.rwth-aachen.de/cms/~fspw/ITMC/