Entwicklung multifunktionaler Strukturmaterialien für eine nachhaltige Photokatalyse

Das Ziel einer nachhaltigen Chemie hat Chemiker dazu motiviert, erneuerbare Energien bei chemischen Reaktionen zu nutzen, um so gefährliche Abfälle zu minimieren und die Atomökonomie zu maximieren. Die Natur bietet ein Vorbild für die Photosynthese, bei der unter Sonneneinstrahlung aus Kohlendioxid und Wasser Kohlenhydrate hergestellt werden.

Da dieser Prozess jedoch auf einem komplexen System basiert, das mehrere lichtsammelnde Enzyme und Antennen umfasst, weist er von Natur aus eine geringe Effizienz bei der Umwandlung von Sonnenenergie auf. Künstliche Photosynthesesysteme sind seit langem Gegenstand wissenschaftlicher Forschung und bieten potenzielle Lösungen für eine nachhaltige Chemie.

Ein Team der University of Chicago unter der Leitung von Professor Wenbin Lin arbeitete an der Entwicklung künstlicher photokatalytischer Systeme unter Verwendung von Strukturmaterialien, einer Klasse poröser Materialien, die durch die periodische Verbindung metallischer und organischer Bausteine ​​entstehen.

Durch den Einsatz modernster Techniken zur Charakterisierung dieser Materialien haben Forscher ein tiefes Verständnis dafür gewonnen, wie diese künstlichen Systeme auf molekularer Ebene funktionieren. Dieses Wissen ermöglichte es ihnen, Materialien für verschiedene lichtinduzierte Reaktionen zu verfeinern.

In einer Minirezension veröffentlicht in Die Zukunft von Kohlenstoff Am 13. September 2024 fassten Forscher ihre jüngsten Erfolge in der künstlichen Photosynthese und Photokatalyse zusammen, um wichtige Fortschritte und zukünftige Chancen hervorzuheben.

„Die Natur führt Präzisionschemie in Organismen durch, um komplexe Moleküle herzustellen, oft unter Einbußen bei der Effizienz“, sagte Professor Wenbin Lin.

„Wir müssen die Natur übertreffen, um die Herausforderungen zu meistern, vor denen wir heute stehen, und glücklicherweise haben wir durch die präzise Kontrolle der Strukturen und Zusammensetzungen von Strukturmaterialien künstliche Systeme entwickelt, die ihre homogenen Gegenstücke deutlich übertreffen.“

Der Aufsatz zeigt, wie chemische Modifikationen von Gerüstmaterialien deren Leistung bei photosyntheseähnlichen Reaktionen optimieren können.

Um diese Ziele zu erreichen, identifizierte das Team wesentliche Komponenten und überprüfte ihre Rollen. Photosensibilisatoren wie Chlorophyll absorbieren Lichtenergie. Katalysatoren nutzen diese Energie wie Enzyme, um chemische Reaktionen auszulösen. Diese Photosensibilisatoren und Katalysatoren mit sorgfältig abgestimmter Energie- und Elektronentransferkinetik wurden in Strukturmaterialien eingebaut.

„Der Einbau der richtigen Photosensibilisatoren und Katalysatoren in Strukturmaterialien kann deren Leistung im Vergleich zu einfachen Mischungen von Photosensibilisatoren und Katalysatoren in Lösungen um mehr als eine Größenordnung verbessern“, erklärte Lin.

Das Team demonstrierte mit diesen Materialien erhebliche Verbesserungen bei einem Dutzend Arten photokatalytischer Reaktionen. Diese Verbesserung ist auf einen „Vororganisationseffekt“ zurückzuführen, der auch in natürlichen Systemen zu finden ist, bei dem Photosensibilisatoren und Katalysatoren an bestimmten Orten angeordnet sind, um chemische Reaktionen anzuregen.

Gerüstmaterialien können aus Reaktionsmischungen leicht durch Zentrifugation oder Filtration gewonnen werden. Die gewonnenen Materialien werden in Folgereaktionen ohne Verlust der katalytischen Aktivität verwendet. In einem Beispiel wurde das Gerüstmaterial in acht Runden einer Eintopfsynthese eines kardiotonischen Mittels ohne Verschlechterung der katalytischen Leistung verwendet.

„Wir glauben, dass dieser Durchbruch ein großes Potenzial für die nachhaltige Synthese von Arzneimitteln und anderen Mehrwertprodukten birgt, und diese Forschungsbemühungen werden zu einer nachhaltigeren Zukunft beitragen“, sagte Lin.

„Die Prinzipien, die wir hier gelernt haben, können auf viele andere Systeme angewendet werden.“ Das Team hofft, dass ihre Rezension andere Forscher dazu inspirieren wird, andere katalytische Materialien auf molekularer Ebene rational zu entwerfen.

Der erste Autor war Yingjie Fan (Ph.D. ’24, jetzt Postdoktorandin an der UC Berkeley).