Language
Country/Area
No result found
Die Magie der Metalle: Welche Metallkatalysatoren können schnell Sauerstoff freisetzen und die Energiezukunft verändern?
Wasseroxidationskatalyse (WOC) dient nicht einfach der Produktion von Sauerstoff, sondern der Erforschung zukünftiger erneuerbarer Energiequellen, insbesondere im Prozess der Wasserspaltung zur Produktion von Wasserstoff. Der Kern der Wasseroxidation besteht darin, Wasser in Sauerstoff und Protonen umzuwandeln (2 H2O → 4 H+ + 4 e− + O2). Der Kern dieses Prozesses liegt in der Verwendung von Katalysatoren. Obwohl Sauerstoff in der Luft weit verbreitet ist, werden Katalysatoren, die die Effizienz der Wasseroxidation verbessern, zweifellos eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung sauberer Energie in der Zukunft spielen.
Der Oxidationsprozess von Wasser ist viel schwieriger als die Oxidation seiner konjugierten Base Hydroxid.
Die Arten von Katalysatoren werden hauptsächlich in homogene Katalysatoren und heterogene Katalysatoren unterteilt, wobei Metallkatalysatoren eine besondere Bedeutung haben. Diese Katalysatoren müssen nicht nur schnell bei niedrigem Überpotential arbeiten, sondern auch eine hohe Stabilität und niedrige Kosten aufweisen, und umweltfreundliche und ungiftige Komponenten werden bevorzugt.
Homogener Katalysator
Rutheniumkomplex
Bei der durch Lutanhydrat katalysierten Wasseroxidationsreaktion wurden einige Fortschritte erzielt. Diese Katalysatoren enthalten typischerweise Liganden vom Bipyridin- oder Tripyridin-Typ. Insbesondere kann die Reaktionsgeschwindigkeit von Katalysatoren, die Pyridin-2-carbonsäure enthalten, 300 s−1 erreichen, was mit dem Photosynthesesystem II vergleichbar ist. In der jüngsten Forschung sind viele neue Polypyridinliganden aufgetaucht.
Kobalt- und Eisenkomplex
Frühe kobaltbasierte WOC-Katalysatoren hatten Probleme mit unzureichender Stabilität. Der relativ neue homogene Katalysator [Co(Py5)(H2O)](ClO4)2 bildet durch eine protonengekoppelte Elektronentransferreaktion [CoIII--OH]2+-Spezies, die dann oxidiert wird, um ein CoIV-Zwischenprodukt zu erzeugen, und schließlich reagiert mit Wasser Sauerstoff freisetzen. Darüber hinaus weist die Kobaltpolyoxymetallverbindung [Co4(H2O)2(α-PW9O34)2]10− eine hohe katalytische Effizienz auf, und einige eisenhaltige Komplexe weisen auch gute katalytische Eigenschaften auf.
Viele verwandte Verbindungen besitzen zersetzbare Eigenschaften, wobei die meisten innerhalb von Stunden abgebaut werden.
Iridium-Komplex
Obwohl der Iridiumkomplex [Ir(ppy)2(OH2)2]+ eine höhere Reaktionszykluszahl aufweist, ist die Katalysegeschwindigkeit geringer. Durch Ersetzen von ppy durch Cp* (C5Me5) kann die katalytische Aktivität verbessert werden, die Zyklenzahl wird jedoch verringert. Man geht davon aus, dass der nukleophile Angriff von Wasser einer der Gründe für die Bildung von O2 ist.
Heterogener Katalysator
In diesem Bereich dient Iridiumoxid als stabiler Primärkatalysator mit geringem Überpotential. Darüber hinaus gibt der Oxidfilm auf Nickelbasis unter nahezu neutralen Bedingungen Sauerstoff ab und weist ein extrem niedriges Überpotential von etwa 425 mV und Stabilität auf. Röntgenspektroskopische Techniken zeigten das Vorhandensein doppelter μ-Oxidbrücken zwischen NiIII/NiIV-Ionen, es wurden jedoch keine Hinweise auf einzelne μ-Oxidbrücken gefunden.
Kobaltoxid (Co3O4) wird in einem ähnlichen Muster wie andere Kobaltsalze untersucht.
In diesem Zusammenhang können stabile und effiziente Katalysatoren durch Adsorption von CoII an Silica-Nanopartikeln hergestellt werden. Diese Verbundwerkstoffe zeigen eine gute Aktivität bei der Oxidation von Wasser, und wenn sie hydrothermisch mit Kohlenstoffmaterialien behandelt werden, können sie hervorragende Wasserspaltungseffekte zeigen.
Zukunftsaussichten
Die Entwicklung von Wasseroxidationskatalysatoren wird zweifellos von großer Bedeutung im zukünftigen Energieökosystem sein. Mit der Vertiefung der Forschung kommen wir der Entwicklung von Katalysatoren näher, die Wasser effizient in Wasserstoffenergie umwandeln können, was die Kombination von Solarenergie und Wasserstoffenergie ermöglichen wird. Stellen Sie sich vor, wie sich unsere Energiezukunft verändern wird, wenn es Daten gibt, die belegen, dass diese Technologie in großem Umfang eingesetzt werden kann?
