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Sonnenenergie effizient in nutzbare chemische Energieformen umwandeln: Polyheptazin-Imide haben Eigenschaften, die einen Einsatz als Photokatalysatoren nahelegen. Bislang fehlte jedoch ein umfassendes Verständnis darüber, wie sich strukturelle Veränderungen auf die elektronischen und optischen Eigenschaften der zahlreichen Materialkandidaten dieser Klasse auswirken. Um diese Wissenslücke zu schließen, hat ein Forschungsteam unter Leitung des Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) am HZDR eine verlässliche und reproduzierbare theoretische Methode entwickelt. Bestätigt wurde sie durch Messungen an eigens hergestellten Materialkandidaten (DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.5c09930).
Polyheptazin-Imide sind geschichtete, graphenähnliche Verbindungen aus stickstoffreichen ringförmigen Einheiten, die zur Familie der Kohlenstoffnitride gehören. Im Gegensatz zu Graphen, das zwar eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit, jedoch keine photokatalytische Aktivität zeigt, verfügen Polyheptazin-Imide über Bandlücken, die eine Absorption von sichtbarem Licht ermöglichen.
Kohlenstoffnitrid-Materialien zeichnen sich durch geringe Herstellungskosten, Ungiftigkeit und hohe thermische Stabilität aus. Frühere Materialgenerationen erwiesen sich als nur eingeschränkt geeignet für photokatalytische Anwendungen, da keine effiziente Ladungstrennung gewährleistet war. Bei unzureichender Ladungstrennung fallen photoangeregte Elektronen rasch zurück an den Herkunftsort, wobei Energie lediglich in Form von Wärme oder Licht freigesetzt wird – und nicht für chemische Reaktionen genutzt werden kann. „Polyheptazin-Imide mit eingebetteten positiv geladenen Metallionen zeigen eine deutlich verbesserte Ladungstrennung und sind daher besonders vielversprechend für praktische Anwendungen“, erläutert Hauptautorin Dr. Zahra Hajiahmadi.
Rechnergestützte Wissenschaft grenzt Auswahlmöglichkeiten ein
Um das erwartete wirtschaftliche Potenzial photokatalytischer Reaktionen zu erschließen, werden verschiedene neue Materialien benötigt. Zu den relevanten Reaktionen gehören beispielsweise die Wasserspaltung zur Erzeugung von Wasserstoff (Treibstoff), die Kohlendioxidreduktion zur Synthese energiereicher Kohlenstoffverbindungen (Treibstoff, Grundchemikalien) oder die Produktion von Wasserstoffperoxid (Grundchemikalie). Die gezielte Entwicklung von Polyheptazin-Imiden für die gewünschte katalytische Reaktion erfordert jedoch die präzise Abstimmung sämtlicher Materialparameter. Allein durch Experimente ist das nicht zu bewerkstelligen. Hier kommen rechnergestützte Ansätze zum Einsatz.
„Der Designraum ist enorm“, betont Prof. Thomas D. Kühne, Direktor des CASUS, Leiter des CASUS-Forschungsteams „Theorie Komplexer Systeme“ und Letztautor der Studie. „Beispielsweise lassen sich funktionelle Gruppen an der Oberfläche anheften oder Stickstoff- beziehungsweise Kohlenstoffatome gezielt durch Sauerstoff- oder Phosphoratome ersetzen.“ Seine Arbeitsgruppe entwickelt hierfür neuartige numerische Verfahren, die hohe Effizienz mit einer qualitativ korrekten Beschreibung der zugrunde liegenden chemischen und physikalischen Prozesse verbinden.
Die perfekte Verbindung finden – mit System
Im Zentrum von Hajiahmadis Forschung stehen die charakteristischen, negativ geladenen Poren der Polyheptazin-Imide, die positiv geladene Metallionen aufnehmen können. Sie beeinflussen die katalytische Aktivität maßgeblich. Die vorliegende Arbeit stellt die erste umfassende Studie zum Einfluss unterschiedlicher Metallionen auf die optoelektronischen Eigenschaften dieser Materialklasse dar. Insgesamt wurden 53 verschiedene Metallionen hinsichtlich ihrer Position im Material (in der Ebene oder zwischen den Schichten) sowie ihrer Wirkung auf die Materialgeometrie (Stärke der Verzerrung) analysiert.
„Zum Einsatz kam ein verlässliches und reproduzierbares rechnergestütztes Verfahren, das über konventionelle Modellierungsansätze hinausgeht und explizit angeregte elektronische Zustände berücksichtigt“, betont Hajiahmadi. „Typische rechnergestützte Studien zu Photokatalysatoren konzentrieren sich in der Regel auf Grundzustandseigenschaften, obwohl die Photokatalyse intrinsisch durch photoangeregte Ladungsträger bestimmt wird. Wir nutzen daher Methoden der Vielteilchen-Störungstheorie.“ Ausgehend von einem leicht lösbaren, nicht wechselwirkenden System behandeln diese Methoden Wechselwirkungen als kleine Störungen. Deren Auswirkungen werden als kleine Korrekturen zur bekannten Lösung berechnet. Stück für Stück liefern alle mathematischen Erweiterungen am Ende eine Näherung dafür, wie große Gruppen von Teilchen sich gegenseitig beeinflussen. Aufgrund ihres hohen Rechenaufwands werden solche Methoden in diesem Forschungsfeld nur selten angewendet. Die vorgestellte Studie bestätigt jedoch eindeutig ihren überwältigenden Nutzen: Das neue Berechnungsverfahren ermöglicht eine qualitativ genaue Beschreibung von optischer Absorption und elektronischer Struktur der Materialien unter Belichtung.
Mit diesem Ansatz untersuchten die Wissenschaftler systematisch, wie verschiedene eingebrachte Metallionen die Geometrie des Polyheptazin-Imid-Polymergerüsts beeinflussen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Ionenintegration ausgeprägte strukturelle Verzerrungen hervorrufen kann, darunter Veränderungen des Schichtabstands und der lokalen Bindungsumgebung. Diese geometrischen Anpassungen wirken sich direkt auf die elektronische Bandstruktur und das optische Verhalten aus, einschließlich der Lichtnutzungseffizienz.
Zur experimentellen Validierung der theoretischen Vorhersagen wurden acht Polyheptazin-Imide – jeweils mit einem anderen Metall – hergestellt und hinsichtlich ihrer Eignung zur photokatalytischen Wasserstoffperoxid-Erzeugung getestet. „Die Ergebnisse stimmten in hohem Maße mit den theoretischen Vorhersagen überein und übertrafen konkurrierende Berechnungsmethoden“, resümiert Hajiahmadi. Kühne ergänzt: „Sollten Zweifel bestanden haben, dass Polyheptazin-Imide zu den vielversprechendsten Plattformen für Photokatalyse-Technologien der nächsten Generation gehören, so hat diese Arbeit sie ausgeräumt. Der Weg zur zielgerichteten Entwicklung effizienter Polyheptazin-Imid-Photokatalysatoren für nachhaltige Reaktionen ist damit klar. Ich bin fest davon überzeugt, dass er häufig und erfolgreich beschritten werden wird.“
Über das Center for Advanced Systems Understanding
Das CASUS wurde 2019 in Görlitz gegründet und betreibt digitale interdisziplinäre Systemforschung in unterschiedlichen Bereichen wie Erdsystemforschung, Systembiologie und Materialforschung. Innovative Forschungsmethoden aus Mathematik, theoretischer Systemforschung, Simulation, Daten- und Computerwissenschaft werden mit dem Ziel eingesetzt, komplexe Systeme von bisher nie dagewesener Realitätstreue abzubilden und so zur Lösung drängender gesellschaftlicher Fragen beizutragen. Gründungspartner sind das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), das Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung in Leipzig (UFZ), das Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden (MPI-CBG), die Technische Universität Dresden (TUD) und die Universität Wroclaw (UWr). Das Zentrum wird aus Mitteln des Bundesministeriums für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) sowie des Sächsischen Staatsministeriums für Wissenschaft, Kultur und Tourismus (SMWK) gefördert und wird als ein Institut des HZDR geführt. www.casus.science
Prof. Thomas D. Kühne | Direktor
Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) am HZDR
E-Mail: t.kuehne@hzdr.de
Z. Hajiahmadi, A. L. Presti, S. Shahab Naghavi, M. Antonietti, C. M. Pelicano, T. D. Kühne: Theory-Guided Discovery of Ion-Exchanged Poly(heptazine imide) Photocatalysts Using First-Principles Many-Body Perturbation Theory, Journal of the American Chemical Society, 2026 (DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.5c09930)
https://www.casus.science/?page_id=19053
Drei Schichten eines silberionendotierten Polyheptazin-Imid-Polymers. In diesem Beispiel befinden si ...
Copyright: B. Schröder/HZDR
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Wirtschaftsvertreter, Wissenschaftler
Chemie, Energie, Informationstechnik, Umwelt / Ökologie, Werkstoffwissenschaften
überregional
Wissenschaftliche Publikationen
Deutsch
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