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Entwicklung aktiver HO-Zn-N2-Stellen in zeolithischen Imidazolatgerüsten für eine verbesserte (photo)elektrokatalytische Wasserstoffentwicklung

Zheao Huang hat kürzlich eine hochselektive Ligandenentfernungsstrategie (SeLiRe) entwickelt, um offene Metallstellen (OMS) in zeolithischen Imidazolatgerüsten (ZIFs) zu schaffen, ohne deren inhärente Gerüststruktur zu stören. Durch Veränderung der Zn-Koordinationsumgebung von gesättigtem Zn-N4 zu ungesättigtem Zn-N2 führte Huang offene Zinkstellen als aktive Zentren für die (photo)elektrokatalytische Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) ein.

Im Bild: Eine selektive Ligandenentfernungsstrategie, um aktive katalytische Stellen aus ungesättigtem HO-Zn-N2 in zeolithischen Imidazolatgerüsten zu schaffen, die die Wasserstoffentwicklungsreaktion erheblich beschleunigen, indem sie die Überspannung der Wasseradsorption von 0,31 V auf 0,07 V bei 10 mA cm-2 reduzieren.

Durch eine Kombination fortschrittlicher In-situ- und Ex-situ-Charakterisierungstechniken sowie theoretischer Berechnungen zeigte Huang, dass diese offenen Zn-N2-Stellen unter Betriebsbedingungen Hydroxylgruppen aus alkalischen Elektrolyten chemisorbieren und hochvalente HO-Zn-N2-Aktivstellen bilden.
Durch die Einführung von HO-Zn-N2-Stellen wurde das Überpotential für HER von 0,31 V (ZIF-8) auf 0,07 V bei 10 mA cm-2 reduziert, was die elektrokatalytische Effizienz erheblich verbesserte. Darüber hinaus verringerte das Vorhandensein dieser aktiven Stellen die Bandlücke des Materials und ermöglichte so eine Aktivität bei sichtbarem Licht im Vergleich zu dem im UV-Bereich begrenzten ZIF-8. Simulationen mit der Dichtefunktionaltheorie (DFT) bestätigten diese Ergebnisse und zeigten, dass die HO-Zn-N2-Stellen die Wasseradsorption und -dissoziation erleichterten und somit die Gesamtleistung des HER verbesserten. Seine Arbeit bietet einen vielversprechenden Weg für die Entwicklung moderner Materialien mit optimierten katalytischen Eigenschaften für energiebezogene Anwendungen.

Die Arbeit wurde kürzlich als Open Access in der Zeitschrift Angewandte chemie veröffentlicht und kann über den folgenden Link eingesehen werden: https://doi.org/10.1002/anie.202419913, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster