"Mit dem Wissen aus dieser Studie können wir künftig Katalysatoren aus organischen Gerüstverbindungen und Nanopartikeln designen, die deutlich effizienter sind als die COFs", sagt Prof. Dr. Kristina Tschulik von der Ruhr-Universität Bochum und vom Exzellenzcluster RESOLV, die gemeinsam mit Prof. Dr. Bettina Lotsch vom MPI für Festkörperforschung die Idee für die Studie hatte.

Die Bochumer Gruppe um Kristina Tschulik startete eine Kooperation mit Stuttgarter Forschenden um Bettina Lotsch, die Expertinnen und Experten für die Synthese von COFs sind. Gemeinsam analysierte das Team um Pouya Hosseini, Andrés Rodríguez-Camargo und Liang Yao die katalytische Aktivität mehrerer cobalthaltiger COFs bei der Sauerstoffentwicklungsreaktion. Diese Teilreaktion tritt in vielen industriell bedeutenden Reaktionen auf. "Die Reaktionsbedingungen bei der Sauerstoffentwicklungsreaktion sind harsch", erklärt Kristina Tschulik. "Eigentlich gibt es nur einen Katalysator – Iridiumoxid –, der dabei stabil bleibt." Es mehrten sich jedoch Studien, in denen berichtet wurden, dass auch cobalthaltige COFs langzeitstabil bei der Reaktion seien.

Im ersten Schritt untersuchte das Forschungsteam die COFs elektrochemisch bei der Sauerstoffentwicklungsreaktion. In der Tat lief die Stoffumwandlung mit hoher Aktivität über mehrere Zyklen. Die dabei aufgezeichneten Strompotenzial- Kurven hatte Kristina Tschulik schon einmal in einem anderen Kontext gesehen. Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 247 arbeitet die Wissenschaftlerin seit sieben Jahren mit Cobaltoxid-Nanopartikeln als Katalysatoren, die genau diese Kurvenform erzeugen. Daher startete die Gruppe eine aufwendigere Materialcharakterisierung, gemeinsam mit Elektronenmikroskopie-Experten vom MPI für Nachhaltige Materialien um Prof. Dr. Christina Scheu.

Gerüste halten die Nanopartikel

In diesen Analysen zeigte sich, dass aus den cobalthaltigen Gerüstverbindungen oxidische Cobalt-Nanopartikel entstehen, die die "katalytische Arbeit" übernehmen. Die Umwandlung erfolgt sofort, wenn die Elektrode in die basische Lösung eingetaucht wird. "Die COF-Gerüste erfüllen aber trotzdem einen Zweck", erklärt Tschulik ein weiteres Ergebnis der Analysen. "Sie halten die Nanopartikel fest. Normalerweise neigen die Partikel dazu zu aggregieren, wodurch weniger von ihrer katalytischen Oberfläche zugänglich ist."

Die Autorinnen und Autoren geben in ihrer Publikation auch Anregungen, wie man COFs künftig gezielt herstellen könnte, so dass die Gerüstverbindungen auch unter realen Reaktionsbedingungen stabil und katalytisch aktiv bleiben.

Förderung

Die Arbeiten wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert. Weitere Unterstützung kam vom Max Planck Fellowship Programm, dem Bayrischen Forschungsnetzwerk SolTech und der Alexander von Humboldt-Stiftung.

Publikation:
Pouya Hosseini et al.: Shedding Light on the Active Species in a Cobalt-Based Covalent Organic Framework for the Electrochemical Oxygen Evolution Reaction, in: Advanced Science, 2024; https://doi.org/10.1002/advs.202413555

Quelle:Ruhr-Universität Bochum