Development of organic-inorganic nanocomposites and their application in artificial photosynthesis  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
121318
Type PD
Principal investigator Srankó, Dávid Ferenc
Title in Hungarian Szerves-szervetlen nanokompozitok előállítása és alkalmazása mesterséges fotoszintézisben
Title in English Development of organic-inorganic nanocomposites and their application in artificial photosynthesis
Keywords in Hungarian elektrokatalízis, vízoxidáció, réteges kettős hidroxid, fényérzékenyítő
Keywords in English electrocatalysis, water oxidation, layered double hydroxide, photosenzitizer
Discipline
Material Science and Technology (chemistry) (Council of Physical Sciences)100 %
Panel Chemistry 1
Department or equivalent Institute for Energy Security and Environmental Safety (Centre for Energy Research)
Participants Pap, József Sándor
Starting date 2016-12-01
Closing date 2018-06-30
Funding (in million HUF) 10.059
FTE (full time equivalent) 1.60
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

Az elmúlt években a mesterséges fotoszintézis mint fogalom egyre nagyobb es megérdemelt figyelmet kap. Az egyik potenciális alternatívának tekinthető a környezetbarát energia előállításában, legyen az a szén-dioxid elektrokémiai redukciója, vagy katalitikus vízbontás. Mindkettő megvalósításához elengedhetetlen a vízoxidációs félreakció hatásfokának a növelése. A legaktívabb katalizátorok savas közegben az irídium- es ruténium-oxid, míg bázikus pH-n a nikkel-vas réteges kettős hidroxidok (LDH-k) a legalkalmasabbak. A katalitikus aktivitás növelésére egy új, elektrokatalitikus folyamatokban eddig nem vizsgált réz-vas- tartalmú LDH előállítását javasoljuk. A réz es vegyületeinek elektrokatalikus aktivitása vízoxidációs folyamatokban ismert, oxigén redukciós reakcióban pedig a nikkelnél kedvezőbb tulajdonságokkal bír, ezért vassal alkotott vegyülete várhatóan maga is katalitikusan aktív lesz. Az LDH-k bar fotokatalitikusan aktívak, a látható fényt kevésbé nyelik el. Ennek a megoldására a katalizátorok fényérzékenyítését javasoljuk. Fényérzékeny vegyületek interkalálása LDH-ba a szakirodalomban egy ismert eljárás, azonban a vendég molekulák hatása az elektrokatalitikus folyamatokra eddig nem vizsgált. A fényérzékeny vegyületek segítségével az LDH-k fényelnyelése a látható fény tartományába eltolható, ami kedvezően befolyásolhatja a fotokatalitikus aktivitást. A katalizátorok előállítása mellett, vagy azzal együtt azok hordozón történő rögzítése is célunk. A katalizátorok szerkezeti jellemzésével szeretnénk bővebb információt kapni azokra a szerkezeti jellemzőkről, amelyek a réteges kettős hidroxidok elektrokatalikus aktivitására potenciális hatással vannak.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.

Az oxigén redukciós reakcióban (ORR) a réz oxigénnel es hidroxiddal alkotott kötési energiája a reakció léjátszódása szempontjából sokkal kedvezőbb, mint a nikkel eseteben. A kérdés, hogy ez hogyan befolyásolja a Cu-Fe-LDH elektrokatalitikus aktivitását a vízoxidációban? A Ni-Fe-LDH eseteben a katalitikus aktivitás az enyhen torzult oktaéderes szerkezetnek köszönhető, amelyben az aktív szpeciesz a vas. A réz eseteben is enyhe torzulást várhatunk a szerkezetben, azonban eredményezhet-e ez katalitikus aktivitást? Vajon csak a torzult szerkezet felel a katalitikus aktivitásert?
A LDH-k fényérzékeny vegyületekkel alkotott kompozit-vegyületei ismertek, es előállításuk egyszerű. Az előállított fenyérzekényitett vegyületetek mind a hordozó LDH, mind a fényérzékeny komponens spektrális tulajdonságaival rendelkeznek. Azonban a katalitikus folyamat szempontjából kérdéses a hatásuk. Egyes szerves vegyülettípusok az LDH felületéről leszorithatják a felülethez gyengén kötött vizet, amelynek szerepe a folyamatban nem ismert. Mivel a teljes reakció mechanizmus nem ismert, ezert barmit is tapasztalunk, az sokban segít megérteni a katalitikus folyamatot.
A réteges kettős hidroxidok (LDH-k) hatékony vízoxidációs katalizátorok, azonban semlegeshez közeli pH-n való alkalmazásuk kevésbe jelentős. A kutatás egyik alapkérdése, hogy vajon előállítható-e olyan LDH-t tartalmazó szerves-szervetlen nanokompozit, amely semlegeshez közeli pH-n is jelentős fotokatalitikus aktivitást mutat?

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!

A réteges kettős hidroxidok szerepe a vízoxidációban jelentős, azonban a teljes reakciómechanizmus nem ismert. Az LDH-k mint katalizátorok módosítása fényérzékeny vegyületekkel nem csak egy, a látható fény által hatékonyan gerjeszthető kompozit rendszert eredményezhet, hanem a szerves vegyületek LDH-ba való interkalalasa révén bővebb információt kaphatunk a viz koordinációjáról es annak szerepéről a katalitikus folyamatban. A Cu-Fe-LDH előállításával amellett, hogy az elektrokatalizis területén egy új, eddig nem vizsgált vegyület katalitikus aktivitására derülhet fény, pontosabb képet kaphatunk arról, hogy milyen szerkezeti tényezők befolyásoljak az LDH-k katalitikus aktívitatását.
Mindezek nagyban hozzájárulhatnak a katalizátor felületén lejátszódó reakciók alaposabb megértését, és kutatásaink egy lépéssel közelebb vihetnek a vízoxidáció es ezáltal a mesterséges fotoszintézis ipari hasznosításának a megvalósulásához. Ezzel párhuzamosan egy másik jelentős hozadéka is van a tervezett kutatásoknak: a kémhatás változtatásával es annak hatásának a tanulmányozásával lehetővé válik a felhasználási igényeinek megfelelő szerves-szervetlen nanokompozitok előállítása, melyek szén-dioxid elektrokémiai redukciójában, vagy az elektrokatalitikus vízbontásban lelhetnek alkalmazásra.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média illetve az adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

A fosszilis energiahordozók kiváltására több okból is a hidrogén (H2) tűnik az egyik legvonzóbb alternatívának. A H2 előállítható vízbontással, amely akár a szén kivonását is lehetővé teszi a teljes energiaciklusból. A H2, mint megújuló energiaforrás akkor jöhetne szóba, ha égéstermékének, a víznek a visszaalakítását, vagyis a vízbontást (előnyös módon) fényenergia segítségével sikerülne megoldani. Erre két alternatíva kínálkozik: egyrészt az energiaszükséglet biztosítható külső, fotovoltaikus eszközökkel. Ekkor egy további cella végzi a víz elektrolízisét. Másrészt akár közvetlenül, napfény hatására, fotokatalitikus módon is lejátszódhat a reakció. Az utóbbi folyamatot megvalósító rendszer a természetben létezik. Emiatt a fotokatalitikus vízbontást gyakran említik mesterséges fotoszintézisként is. Azonban nem csak a viz bontásával nyerhetünk energiát. A szén-dioxid mint korunk legnagyobb problémáját, a klímaváltozást kiváltó vegyülete is hatékonyan alakítható at üzemanyaggá elektromos áram segítségével. Több technológiai elképzelés is létezik, amely jelenlegi, vagy már a közeljövőben elérhető részelemekre épít. Becslések alapján 15 év alatt bizonyos területeken kereskedelmi bevezetésre érett rendszer készülhet (artificial leaf). A szűk keresztmetszet mindenképpen a vízbontás, és bármelyik lehetőséget is preferáljuk, a vízoxidációs katalizátorok fejlesztése elkerülhetetlen.
Pályázatom célja ilyen vízoxidációs katalizátorok előállítása, és fényérzékenyítő vegyületek segítségével a katalitikus aktivitásuk növelése.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

In the last decade more and more interest turned into the artificial photosynthesis render it a potential candidate for the sustainable energy conversion. The Oxigen Evolution Reaction (OER) is important part not just in the electrocatalytic water splitting, but also in the electrochemical reduction of CO2 (CO2-RR). Under acidic conditions the most active OER catalysts are the iridium and ruthenium-oxides, while in basic pH the nickel-iron layered double hydroxide (LDH) is the most effective. Obtaining higher catalytic activity a copper-iron based LDH seems to be the ideal candidate. The copper based compounds are well-known and effective catalysts in the OER, moreover, the strength of oxygen and hydroxide bonds with copper makes it a better catalyst in Oxygen Reduction Reaction (ORR) than the ones with nickel. In any case, the Cu-Fe-LDH seems to be an ideal catalyst for OER. Although LDHs are photochemically active compounds, they weakly absorb light from the visible range. Their intercalation with photosensitive compounds can improve their photocatalytic performance. These nanocomposites are well-known in the literature, although their electrocatalytic behavior have not been described yet. With their intercalation the obtained nanocomposites will be able to absorb the visible range of the light, dramatically improving its photocatalytic performance. Beside their synthesis the other main goal of my work is the deposition of the obtained compounds. With the characterization of the catalytic compounds we will have a wider view on the relation between their structural and catalytic aspects.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.

In the oxygen reduction reaction (ORR) the binding energies between the oxygen and copper and hydroxide with copper are more favorable than those ones with the nickel. However it is not clear whether it has any effect on the electrocatalytic activity of Cu-Fe-LDH in OER or not. One of the possible reason for the Ni-Fe-LDH`s catalytic activity is the distorted octahedral structure, where the active sites are related to the iron. In the case of copper based LDH the slightly distorted structure is possible, although it is not clear if it is enough for the catalytic activity. Is the distortion the only reason of the catalytic performance?
Nanocomposites based on LDHs and photosensitive compounds are well known and their synthesis easy to tailoring. The spectral properties of the obtained organic-inorganic nanocomposites similar to both the host and the guest materials` ones, although their effect on the catalytic activity is not described yet. With the intercalation of some sort of organic compounds the weakly bonded structural water can be replaced on the LDH`s surface, although its role in the catalysis is not known. However several parts of the whole reaction mechanism are not clear yet, therefore every new aspects can help us to understand to understand the catalytic process.
LDHs are efficient OER catalysts, although under neutral conditions their usage is limited. One of the goal of this research is to obtain a nanocomposites that is stable and effective even under neutral conditions.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.

LDH has an important role in OER, although there are still several unanswered question related to the reaction mechanism. The effect of assembling LDHs with photosensitized compounds is not just obtaining an efficient photocatalysts, but we can have more information about the role of the coordination of water in the catalytic process. With the synthesis of Cu-Fe-LDH we can obtain not just an efficient OER catalyst, but with the structural investigation we can find out the structural properties those have key role in the OER catalysis.
All in all, these unique features will lead us to the better understanding of reactions on the catalysts surface and this research might bring us one step closer to the utilization of artificial photosynthesis at industrial scale. In parallel with this, there is another significant outcome fo the proposed research. Altering the pH and investigating its effect on the catalytic performances it will be possible to prepare tailor made organic-inorganic nanocomposites, those can be used in carbon dioxide electrochemical reduction or electrocatalytic water splitting as photoanode.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

Hydrogen is ideal candidate for the replacement of fossil fuels. Visible light responsive photocatalysts are among the promising candidates to utilize solar energy, producing molecular hydrogen through the split of water. An efficient system has been attempted by many approaches all aiming to synthesize an efficient, robust and economically feasible catalytic system. Indispensable building blocks of the synthetic device are a light-harvesting (antenna) system, the water oxidation catalyst (WOC) and an electron acceptor, which can be an electrode as well as a chemical compound. Crucial factors, such as low electrochemical overpotential, high quantum efficiency and high turnover frequency of the catalyst (TOF, the number of catalytic cycles per unit time) remain fundamental challenges to be addressed.





 

Final report

 
Results in Hungarian
A Ni-Fe-LDH eseteben a katalitikus aktivitás az enyhen torzult oktaéderes szerkezetnek köszönhető, amelyben az aktív szpeciesz a vas. A kutatas soran kulonbozo osszetetelu, vas tartalmu katalizatorokat allitottam elo, hagyomanyos egyuttlecsapassal es szen papirra elektrokemiai uton is. Az igy eloallitott katalizatorokat jellemeztuk, tobbek kozott AP-XPS es in situ XAS vizsgalatokkal is. Autochem es DRIFT dinamikus meresekkel kapott eredmenyekbol pedig kovetkeztetni lehet a feluleti savassagra, illetve a Fe elektrokatalitikus aktivitasban betoltott szerepere.
Results in English
Ni Fe double oxide hydroxides are among the most efficient earth-abundant catalysts for the oxygen evolution reaction (OER) under alkaline conditions. One of the possible reason for the Ni-Fe-LDH`s catalytic activity is the distorted octahedral structure, where the active sites are related to the iron. The role of the different types of structural water and/or their coordination environments in the OER is currently unknown. In the present work, our goal was to investigate the effects fine structure of a series of M(II) Fe(III) LDHs, where M(II) is Cu(II) , Co(II) , Fe(II) , Ca(II) , Ni(II) and Mg(II). Beside many others AP XPS and in situ XAS measurements were applied to reveal the correlation of the structure and the electrocatalytic activity of certain compounds.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=121318
Decision
Yes





 

List of publications

 
Gurudayal, James Bullock, Dávid F. Srankó ORCID logoaf, Clarissa M. Towle, Yanwei Lum, Mark Hettick , M. C. Scott, Ali Javey and Joel Ager: Efficient solar-driven electrochemical CO2 reduction to hydrocarbons and oxygenates, Energy & Environmental Sciences, 2017
Łukasz Szyrwiel, Dávid Lukács, Dávid F. Srankó, Zsolt Kerner, Aleksandra Kotynia, Justyna Brasuń, Bartosz Setner, Zbigniew Szewczuk, Katarzyna Malec and József S. Pap: Armed by Asp? C-terminal carboxylate in a Dap-branched peptide and consequences in the binding of CuII and electrocatalytic water oxidation, RSC Advances, 2017
M. Papp, P. Szabó, D. Srankó, G. Sáfrán, L. Kollár and R. Skoda-Földes: Mono- and double carbonylation of aryl iodides with amine nucleophiles in the presence of recyclable palladium catalysts immobilised on a supported dicationic ionic liqui, RSC Advances, 2017
Béla Urbán, Péter Szabó, Dávid Srankó, György Sáfrán, László Kollár, Rita Skoda-Földes: Double carbonylation of iodoarenes in the presence of reusable palladium catalysts immobilised on supported phosphonium ionic liquid phases, Molecular Catalysis, 2018
Gurudayal, James Bullock, Dávid F. Srankó ORCID logoaf, Clarissa M. Towle, Yanwei Lum, Mark Hettick , M. C. Scott, Ali Javey and Joel Ager: Efficient solar-driven electrochemical CO2 reduction to hydrocarbons and oxygenates, Energy & Environmental Sciences, 2017




Back »