NUS-chemici hebben aan koolstof geconjugeerde covalente organische raamwerken ontwikkeld voor door zichtbaar licht aangedreven katalytische productie van waterstofgas uit water.

Waterstofgas wordt steeds belangrijker als opslagmedium voor duurzame energietoepassingen. Het gebruik van zonlicht, een hernieuwbare en duurzame energiebron om water om te zetten in waterstofgas trekt aanzienlijke wetenschappelijke belangstelling. Echter, deze omzetting van water naar waterstofgas gebeurt niet spontaan. Het vereist een complex systeem dat een stroom van vrije elektronen omvat die wordt gegenereerd door de lichtbron die werkt als een elektrische stroom om het watermolecuul te splitsen.

Het onderzoeksteam onder leiding van Prof JIANG Donglin van de afdeling Chemie, NUS heeft een nieuwe klasse fotokatalysatoren ontwikkeld die gebruik maken van aan koolstof geconjugeerde covalente organische raamwerken (COF) voor de productie van waterstofgas uit water met behulp van zonne-energie. Het onderzoeksteam construeerde een organisch maar robuust materiaal waarin op koolstof gebaseerde bouwstenen op een topologisch vooraf ontworpen geordende manier zijn verbonden door specifieke bindingen. Deze unieke moleculaire structuur ziet eruit als gestapelde lagen van tweedimensionale netwerken en is in staat om efficiënt zonlicht te oogsten. De onderzoekers plaatsten platina-nanodeeltjes als reactiecentra in de COF en onder bestraling met zichtbaar licht (≥ 420 nm), waterstofgas werd gegenereerd met een constante snelheid van 1, 360 μmol h-1g-1 over een periode van vijf uur.

De nieuw ontwikkelde fotokatalysator heeft verschillende moleculaire mechanismen waarmee hij efficiënt waterstofgas uit water kan produceren. Het bestaat uit sp2-koolstofframes die π-geconjugeerd zijn met lage energiebandgaps. Dit maakt de absorptie van licht van het zichtbare naar het nabij-infraroodspectrum mogelijk. De onderzoekers ontwierpen ook de periferie (buitenste randpositie) van het gelaagde tweedimensionale rooster met elektronendeficiënte eenheden om de elektronische en foto-elektrische eigenschappen van de fotokatalysator synthetisch te regelen. Bovendien, omdat de structuur dichte en geordende kolomvormige -arrays heeft, deze verschaffen routes om excitonen (een exciton is een gebonden toestand van een elektron-gatpaar) migratie en ladingstransport te vergemakkelijken.

Prof Jiang zei:"Nanodeeltjes zoals platina kunnen in de poriën of op het oppervlak van de fotokatalysator worden geladen om als reactiecentra te fungeren. Dit verkort de elektronenoverdrachtsafstand en bevordert de accumulatie van elektronen, het verbeteren van de conversieprestaties."

"We verwachten dat dit werk de structurele en mechanistische basis kan bieden voor schaalbare en duurzame brandstofproductie uit water en zonlicht, " voegde prof. Jiang toe.