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Prof. Dr. Bettina Lotsch
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Max Planck Institute for Solid State Research, Stuttgart

Original Publication

V.W. Lau, I. Moudrakovski, T. Botari, S. Weinberger, M.B. Mesch, V. Duppel, J. Senker, V. Blum, B.V. Lotsch

Rational design of carbon nitride photocatalysts by identification of cyanamide defects as catalytically relevant sites

Nature Communications 7, 12165 (2016)

Rational photocatalyst design for hydrogen evolution

Photocatalytic hydrogen evolution from water is a promising technology that can cleanly convert sunlight into hydrogen, which is both a carbon-free fuel and a platform chemical. Graphitic carbon nitride is a promising photocatalyst for this application, although its activity is as-yet rather low. In this work, the "defects" conventionally accepted to be important for photocatalysis have been identified. These insights were then used to design a carbon nitride photocatalyst, with such defects deliberately incorporated into the material. This designed photocatalyst exhibited an order of magnitude increase in hydrogen evolution rate over the benchmark.

<div style="text-align: left;">Sunlight impinging on the carbon nitride photocatalyst leads to the evolution of hydrogen gas.<br /><br /></div>
<div style="text-align: left;">Sonnenlicht trifft auf den Kohlenstoffnitrid-Photokatalysator auf und es entsteht Wasserstoffgas.</div> Zoom Image
Sunlight impinging on the carbon nitride photocatalyst leads to the evolution of hydrogen gas.

Sonnenlicht trifft auf den Kohlenstoffnitrid-Photokatalysator auf und es entsteht Wasserstoffgas.
The designed carbon nitride (black) exhibited a much higher rate of hydrogen evolution  compared to the benchmark (red).<br /><br />Bei dem Design-Kohlenstoffnitrid (schwarz) liegt die Wasserstoffentwicklungsrate deutlich über dem Vergleichswert (rot).<br /><br /> Zoom Image
The designed carbon nitride (black) exhibited a much higher rate of hydrogen evolution  compared to the benchmark (red).

Bei dem Design-Kohlenstoffnitrid (schwarz) liegt die Wasserstoffentwicklungsrate deutlich über dem Vergleichswert (rot).

Rational designter Photokatalysator zur Wasserstoffentwicklung

Wasserstoffentwicklung aus Wasser mithilfe der künstlichen Photokatalyse ist eine vielversprechende Technik, mit der Sonnenlicht direkt in Wasserstoff umgewandelt werden kann. Das Ergebnis – Wasserstoff – ist gleichzeitig ein CO2-neutraler Brennstoff und eine wichtige Plattformchemikalie. Kohlenstoffnitride bilden eine aussichtsreiche Klasse metallfreier Photokatalysatoren, wenngleich ihre katalytischen Aktivitäten derzeit noch gering sind. Hier wurden strukturelle „Defekte”, die oft als Schlüssel zur photokatalytischen Aktivität gelten, identifiziert und die daraus gewonnenen Erkenntnisse genutzt, um derartige „Defekte” gezielt in einen Kohlenstoffnitrid-Photokatalysator einzubauen. Das Ergebnis ist ein "Designer-Photokatalysator", bei dem die Wasserstoffentwicklungsrate um eine Größenordnung höher liegt als im nicht-funktionalisierten Vergleichsmaterial.

 
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