Effizienter zu Wasserstoffperoxid

Wasserstoffperoxid (H₂O₂) ist ein etabliertes Oxidations-, Bleich- und Desinfektionsmittel mit einem jährlichen Produktionsvolumen von rund acht Millionen Tonnen. Das konventionelle Anthrachinon-Verfahren basiert jedoch auf fossilen Energieträgern und ist energieintensiv. Eine nachhaltige Alternative bietet die lichtgetriebene Fotokatalyse auf Basis von Kohlenstoffnitrid. Forschende unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung haben nun einen Syntheseweg entwickelt, der die Effizienz der fotokatalytischen H₂O₂-Synthese deutlich steigert.

Strukturierte Modifikation von Fotokatalysatoren

Bei der Fotokatalyse erzeugt absorbiertes Licht im Halbleitermaterial mobile Ladungsträger. Die quantenchemische Effizienz korreliert direkt mit der Effizienz der Ladungstrennung und -lebensdauer. Zwar ist bekannt, dass die Interkalation von Alkalimetallen wie Lithium und Kalium in das Kohlenstoffnitrid-Gitter die Katalyse begünstigt, jedoch erfolgte deren Verteilung in bisherigen Synthesen zufällig. „Anstatt die chemische Zusammensetzung eines Fotokatalysators zu verändern, um ihn effizienter zu machen, haben wir versucht, die Anordnung der Bausteine zu verändern”, sagt Christian M. Pelicano.

Präkursor-Design und CALiK-Synthese

Als Edukte nutzte das Team organisch-anorganische ionische Hybridkristalle aus kohlenstoff- und stickstoffhaltigen Komponenten sowie Lithiumchlorid, die ein definiertes dreidimensionales Netzwerk aufbauen. Durch thermische Cokondensation mit Kaliumchlorid entstand der neue Fotokatalysator „CALiK“ mit ortsspezifisch fixierten Metallionen. „Was unser Interesse geweckt hat, war die Tatsache, dass sie dieselben chemischen Bestandteile enthalten wie die Vorläufer, die wir normalerweise verwenden“, sagt Pelicano. „Der entscheidende Unterschied besteht darin, dass die Ionen bereits auf eine bestimmte Weise angeordnet sind, und wir haben uns gefragt, ob sich diese Anordnung auf das Kohlenstoffnitrid-Material übertragen lässt.“

Analytische Validierung und Performance

In quantitativen Leistungsnachweisen generierte CALiK etwa die dreifache H₂O₂-Ausbeute im Vergleich zu Standardmaterialien und übertraf ein reines lithiumdotiertes Referenzmaterial (CALi) um rund 40 Prozent. „Die räumliche Anordnung der Ionen im fertigen Material macht einen erheblichen Unterschied“, sagt Anna Lo Presti. „Wir konnten damit erstmals nachweisen, dass es nicht allein auf die Art oder Menge der Ionen ankommt, sondern auf ihre Position im Gitter.“

Spektroskopische und Elektrochemische Charakterisierung

Ergänzende strukturelle, spektroskopische und elektrochemische Analysen zeigten, dass die lichtinduzierten Ladungsträger in CALiK effizienter getrennt werden. Damit stehen sie für Redoxreaktionen mit Sauerstoff länger zur Verfügung. Flankierende Modellrechnungen indizieren, dass die räumliche Verteilung der Lithiumionen die lokale elektrische Umgebung modifiziert und so die Sauerstoffaktivierung erleichtert, wobei die Berechnungen auf vereinfachten Modellstrukturen beruhen und die Vorgänge im realen Material noch nicht vollständig abbilden.

Quelle

Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung (10/2025)