Fotokatalitikus vízbontásra alkalmas kovalens szerves hálózatok tervezése
Az emberiség folyamatosan növekvő energiaigénye miatt egyre fontosabbá válik a megújuló energiaforrások hatékony alkalmazása. A nap energiáját sokféleképpen hasznosítjuk: napelemekkel, napkollektorokkal, vagy akár fotokémiai reakciókban is. Fotokémiai reakció során a fotonok energiája fedezi a reakció energiaszükségletét, illetve az aktiválási energiáját. Az egyik legkézenfekvőbb ilyen reakció a fotokémiai vízbontás, mely elősegítéséhez megfelelő katalizátorra van szükség. Az utóbbi években, évtizedekben számos fotokémiai katalizátorral kísérleteztek, többségében félvezetők, fém-oxidok, fém-organikus vegyületek bizonyultak megfelelőnek a célra, azonban manapság igen intenzíven kutatják a szerves katalizátorok alkalmazhatóágát.
Az első fotokémiai vízbontásra alkalmas kovalens szerves hálózatot 2015-ben sikerült létrehozni, azonban ez az anyag csupán a hidrogénfejlődést katalizálta, így alkalmazásához elektrondonor hozzáadására volt szükség.[1.] A kovalens szerves hálózatok kovalens kötéssel kapcsolódó szerves molekulákból álló rétegeket tartalmaznak, melyek egymáshoz van der Waals erőkkel kapcsolódnak. Így egyszerre rendelkeznek kétdimenziós anyagokra jellemző tulajdonságokkal, mint nagy aktív felület, porozitás, valamint a három dimenzióban kiterjedt rendszerekre jellemző stabilitással. Ezen hálózatokat él- és csúcs elemekből építik fel, így előállításokhoz a jól bevált szerves reakciók teljes eszköztára rendelkezésre áll. A legújabb publikációk szerint kéntartalmú aromás élek és újfajta csúcsok alkalmazásával épített kovalens szerves hálózattal az előző vegyület aktivitását csaknem megtízszerezték. [2.]
Jelenleg még nem sikerült olyan szerves kovalens hálózatokon alapuló fotokémiai katalizátort előállítani, mely hidrogén mellett oxigénfejlesztésre is képes lett volna. Ennek a magyarázata a fotokémiai katalizátorok működésének ismeretében keresendő. A fénnyel való gerjesztés során formálisan egy gerjesztett elektron és egy pozitív töltésű lyuk képződik. Előbbi a hidrogénfejlődéshez, utóbbi pedig az oxigénfejlődéshez vezethet. Azonban ehhez nemcsak a gerjesztési energiának kell megfelelően nagynak lenne, de az elektron és a lyuk energiaszintjeinek is közre kell fogniuk a vízbontáshoz tartozó abszolút elektród potenciálokat.
Munkám célja a szakirodalomban már publikált kovalens szerves hálózatok reaktivitásának megértése és ez alapján ígéretes fotokémiai katalizátor tervezése, mellyel a fotokémiai vízbontás mindkét részreakciója megvalósítható. Ehhez a legegyszerűbb termodinamikai modell alapján a szerves kémiai hálózat első virtuálus és a legfölső betöltött pályájának energiaszintje között kell elhelyezkednie a vízbontás részrakcióinak: a hidrogén és oxigén fejlesztést lehetővé tevő enerigiaszinteknek. Fontos kritérium továbbá, hogy a katalizátorunk a látható fény tartományában megfelelő mértékben gerjeszthető legyen, így a Napfény spektrumának minél nagyobb része elérhető legyen.
A számításos kémiaI módszerek segítségével terveztem ezen kritériumoknak megfelelő anyagot. a módszer- és bázisteszteléssel kiválasztott CAM-B3LYP elektronsűrűség-funkcionál és a 6-31G* bázis alkalmazásával. Alapvetően a szakirodalomból megismert, már előállított csúcsokhoz kerestem megfelelő tulajdonságokkal rendelkező élt. Ehhez az egyszerűbb szerves vegyületektől kezdve, a bonyolultabbakon át, a szubsztituált festékmolekulákig számos különböző lehetőséget vizsgáltam meg. A szakirodalomban leírt, már sikeresen alkalmazott molekulákkal összehasonlítottam az általam szerkesztett vegyületeket. A számítási idő csökkentésére csúcs-él-csúcs síkszerkezeteket vizsgáltam, majd a legsikeresebb molekulákból hatszöget építettem, illetve az egyszerűsített modell helyett a valódi folyamatokhoz közelebb álló számításokat végeztem.
Munkámban ismertetem a számolt szerkezeteket, feltárom és magyarázom bizonyos funkciós csoportok, méretnövelés, ligandumcsere hatását a molekula tulajdonságaira.
1. A tunable azine covalent organic framework platform for visible light-induced hydrogen generation. Vyas, V. S., Haase, F., Stegbauer, L., Savasci, G., Podjaski, F., Ochsenfeld, C., & Lotsch, B. V. (2015). Nature
2. Sulfone-containing covalent organic frameworks for photocatalytic hydrogen evolution from water, Xiaoyan Wang, Linjiang Chen, Samantha Y. Chong, Marc A. Little, Yongzhen Wu, Wei-Hong Zhu, Rob Clowes, Yong Yan, Martijn A. Zwijnenburg, Reiner Sebastian Sprick, Andrew I. Cooper, Nature Chemistry, 10,1180–1189, 2018
szerző
-
Timár Paula
Vegyészmérnöki alapképzési szak, nappali BSC
alapképzés (BA/BSc)
konzulens
-
Dr. Höltzl Tibor
fejlesztőmmérnök, FETI KFT (külső)
