SCIENTIFIC HIGHLIGHTS

Hybrid Organic-Inorganic Perovskites: Promising Substrates for Single-Atom Catalysts

Mononuclear metal species are widespread in enzymes and homogeneous catalysts. When such isolated single metal atoms are placed on a solid surface, they can also play an important role in heterogeneous catalysis. In the past few years, great attention has been paid to single-atom catalysts, not only because they can exhibit superior catalytic performance, but also, because they offer a novel way of maximizing the efficiency of utilizing atoms, which is especially desirable in the use of scarce metal elements like platinum. However, single atoms cannot work in isolation but need to be dispersed on suitable substrates.
Qiang Fu and Claudia Draxl have recently demonstrated that hybrid organic-inorganic perovskites ˗ the emerging candidates in solar-cell applications ˗ are highly promising substrates for Pt single atom catalysts. Through systematic first-principles calculations, they found that single Pt atoms are stabilized on such substrates through a synergistic cooperation between covalent bond formation and charge transfer. The generated Pt sites possess excellent catalytic properties in CO oxidation and may be able to play a role in CO2 reduction. This work not only has promising consequences in single-atom catalysis but also sheds light on potential applications of hybrid perovskites as photocatalysts.
 
Hybrid Organic-Inorganic Perovskites as Promising Substrates for Pt Single-Atom Catalysts
Q. Fu and C. Draxl
Physical Review Letters 122 (2019) 046101


 

Ab initio modeling of novel photocathode materials for high brightness electron beams

The development of laser-driven photocathode radio-frequency electron injectors has become a significant enabling technology for free electron lasers and for the fourth generation of light sources. Such remarkable progress come with quest for novel materials that are able to operate in the visible region with optimized quantum efficiency and minimized intrinsic emittance. Multi-alkali antimonides have recently emerged as ideal materials for photocathode applications in spite of the little fundamental knowledge regarding their electronic and optical properties. A team composed of scientists from the HU Berlin and HZB carried out a systematic investigation of the electronic structure and excitations of CsK2Sb, an exemplary and promising multi-alkali antimonide, by means of first-principles many-body methods. The results of their study confirm that this material is an excellent candidate for photocathode applications and pioneers a new research line bridging solid-state theory, material science, and accelerator physics in view of an improved modelling and design of materials for the next-generation electron sources.

This work was published on The Journal of Physics: Condensed Matter (http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-648X/aaedee) as an invited contribution to Prof. Caterina Cocchi, a member of IRIS Adlershof since 2017, to the special issue “Emerging leaders 2018” (http://iopscience.iop.org/journal/0953-8984/page/Emerging-leaders-2018).
 
First-principles many-body study of the electronic and optical properties of CsK2Sb, a semiconducting material for ultra-bright electron sources
C. Cocchi, S. Mistry, M. Schmeißer, J. Kühn, and T. Kamps
J. Phys.: Condens. Matter 31 (2019) 014002


 

Erkundung der “idealen Zone” halb­lei­ten­der Po­ly­mer­pho­to­ka­ta­ly­sa­tor­en mittels Donator-Akzeptor Wechselwirkungen

 
Ein Team von Forschern aus Deutschland und Tschechien hat einen Po­ly­mer­ka­ta­ly­sa­tor ent­wi­ckelt, der mit­tels Son­nen­licht Was­ser­stoff aus Was­ser ab­spal­ten kann.
Wasserstoff wird als Energieträger der Zukunft betrachtet, weil er z.B. beim KFZ-Betrieb sauber zu Wasser verbrennt, ohne Treib­haus­ga­se wie Kohl­en­stoff­di­oxid zu erzeugen.
Neuartig an dem Design dieser Art von ­Po­ly­mer­ka­ta­ly­sa­tor­en ist nicht nur, dass sie aus reichlich vorhandenen Elementen bestehen, nämlich Kohlenstoff, Stickstoff und Schwefel. Die Forscher haben insbesondere erkannt, dass die Elektronenwechselwirkungen zwischen dem Eleketronendonator Schwefel und dem Elektronenakzeptor Stickstoff für besonders effiziente Ladungstrennung bei der Lichtkatalyse sorgen. Dies führt wiederum zu Materialien, die ohne chemische oder physikalische Nachbehandlung die höchste bisher bekannte Wasserstoffproduktion von 3158 mmol h-1 g-1 erreichen. Der leitende Autor dieser Arbeit ist seit 2018 ein Junior-Mitglied des IRIS Adlershof, Dr. Michael J. Bojdys.

Exploring the “Goldilocks Zone” of Semiconducting Polymer Photocatalysts by Donor–Acceptor Interactions
Y. S. Kochergin, D. Schwarz, A. Acharjya, A. Ichangi, R. Kulkarni, P. Eliášová, J. Vacek, J. Schmidt, A. Thomas, and M. J. Bojdys
Angew. Chem. Int. Ed. 57 (2018) 14188


 

Lichtgesteuerte Moleküle: Forscher öffnen neue Wege im Recycling

Entdeckung schafft Grundlage für die Wiederverwertung bisher nicht recycelbarer Kunststoffe

Mit Hilfe eines lichtgesteuerten Moleküls und der geeigneten Lichtsequenz lässt sich die Verknüpfung mit einem molekularen Baustein entweder herstellen (UV und rotes Licht; 1. nach 4.) oder brechen (UV und blaues Licht; 4. nach 1.). Visualisierung: Michael Kathan.
 

Robuste Kunst­stoffe bestehen aus mo­le­ku­la­ren Bau­stei­nen, die durch wider­stands­fähige che­mi­sche Ver­bin­dungen zu­sam­men­ge­hal­ten wer­den. Da diese sich kaum wie­der von­einan­der lö­sen las­sen, ist das Re­cycling sol­cher Stof­fe quasi un­mög­lich. Jetzt ent­wickelte ein For­scher­team der Humboldt-Uni­ver­si­tät zu Berlin (HU) ein Mo­le­kül, das mit Hilfe von ver­schie­den­farbigem Licht ge­zielt che­mi­sche Reak­tionen an­trei­ben oder um­keh­ren kann. Das Mo­le­kül ist da­durch in der Lage, be­stimmte Ver­knüp­fungen auf mole­kularer Ebene je nach Bedarf entweder herzustellen oder aufzubrechen, selbst wenn diese besonders stark sind. Die Entdeckung öffnet neue Wege im Recycling und in der Entwicklung nachhaltiger Materialien. Die lichtgetriebene Wiedergewinnung von individuellen Molekülbausteinen hat großes Potential die Wiederverwertung bisher nicht recycelbarer Kunststoffe zu ermöglichen, ohne dabei einen Kompromiss in Farbe, Form oder Qualität eingehen zu müssen.

„Die Funktionsweise unseres Systems ist dem von Selbstbau-Möbeln sehr ähnlich“, erläutern die beiden Erstautoren Michael Kathan und Fabian Eisenreich. „Wir können jetzt bestimmte Strukturen auf molekularer Ebene ohne Verschleiß immer wieder auf- bzw. abbauen. Als Werkzeug benutzen wir jedoch nicht Hammer und Schraubenzieher, sondern rote und blaue Leuchtdioden mit denen wir unsere Moleküle steuern können.“

Die Forschungsergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift Nature Chemistry veröffentlicht.

Light-driven molecular trap enables bidirectional manipulation of dynamic covalent systems
M. Kathan, F. Eisenreich, C. Jurissek, A. Dallmann, J. Gurke, and S. Hecht
Nature Chemistry 10 (2018) 1031


 

Optisch gesteuerte elektronische Bauelemente auf Basis von hybriden Materialien

Erstmals wurden zwei-dimensionale Materialien mit einer photoschaltbaren molekularen Schicht dekoriert und aus den resultierenden hybriden Materialien elektronische Bauelemente hergestellt, die durch Licht kontrolliert werden können. Die Ergebnisse dieser fruchtbaren Zusammenarbeit mehrerer europäischer Forschungsgruppen wurden in Nature Communications veröffentlicht.

Zweidimensionale (2D) Materialien bestehen aus einer einzigen Atomlage und besitzen außergewöhnliche Eigenschaften, aufgrund derer sie ein vielversprechendes Anwendungspotential, u.a. für optoelektronische Bauelemente und Sensoren sowie Katalysatoren, besitzen. Dank ihrer hohen Oberfläche fungieren 2D-Materialien als ideale Plattform, um die Wechselwirkung mit Molekülen und molekularen Lagen zu studieren und diese in sogenannten Hybridmaterialien zur Herstellung von neuartigen Bauelementen zu nutzen.

Chemiker der Humboldt-Universität zu Berlin haben in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Universitäten in Strasbourg, Mons und Trento nun erstmals Hybridmaterialien bestehend aus photoschaltbaren Molekülen auf 2D-Materialien beschrieben. Dabei haben sie Spiropyranmoleküle mit Ankergruppen ausgestattet und auf Graphen (eine Monolage des Graphits wie im Bleistift) bzw. Molybdändisulfid (bekannt aus dem Korrosionsschutz) abgeschieden. Beleuchtung mit ultraviolettem bzw. grünem Licht wandelt die Moleküle zwischen zwei unterschiedlichen Formen hin und her, was zu einer optischen Modulation der elektrischen Eigenschaften führt. Somit werden Lichtimpulse (Input), die eine kollektive Reaktion der molekularen Schicht auslösen, zu makroskopisch messbaren, elektrischen Effekten (Output) verstärkt.

"Mit unserem vielseitigen Ansatz, 2D-Materialien molekular maßzuschneidern, bringen wir die supramolekulare Elektronik auf ein neues Level und näher an zukünftige Anwendungen" ist Prof. Stefan Hecht, der im IRIS Adlershof an Hybridmaterialien forscht, überzeugt. Die Arbeit ist richtungsweisend für die Realisierung von multifunktionalen hybriden Bauelementen, angetrieben durch die primäre Energiequelle der Natur – das Sonnenlicht.

Collective molecular switching in hybrid superlattices for light-modulated two-dimensional electronics
M. Gobbi, S. Bonacchi, J.X. Lian, A. Vercouter, S. Bertolazzi, B. Zyska, M. Timpel, R. Tatti, Y. Olivier, S. Hecht, M.V. Nardi, D. Beljonne, E. Orgiu, and P. Samorì
Nature Communications 9 (2018) 2661

 

Lichtgesteuerte Herstellung bioabbaubarer Kunststoffe

Ein Berliner Forscherteam hat ein neues Katalysatorsystem entwickelt, welches die Regulierung mehrerer Polymerisationsprozesse zur Herstellung von bioabbaubaren Kunststoffen durch Bestrahlung mit Licht verschiedener Farben ermöglicht. Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden nun in Nature Catalysis veröffentlicht.
 

Die Eigenschaften eines Kunststoffes sind stark von Faktoren wie der Art der verknüpften Monomerbausteine sowie der Länge und Zusammensetzung der gebildeten Polymerketten abhängig. Für gewöhnlich sind diese Faktoren durch die Wahl der jeweiligen Polymerisationsbedingungen vorbestimmt. Um darüber hinaus jedoch die Bildung der Polymere fernzusteuern und somit Kunststoffe mit neuartigen und bislang nicht zugänglichen Charakteristika herzustellen, stellt die Regulation durch externe Einflüsse wie Licht ein attraktives Ziel dar. Ähnlich wie bei zahnärztlichen Füllungen dient Licht in diesem Fall dazu, den Ort und die Dauer der chemischen Reaktionen während der Polymerbildung präzise zu kontrollieren.

Eine neue Methode zur lichtregulierten Herstellung von bioabbaubaren Kunststoffen haben nun Wissenschaftler der Humboldt-Universität, der Bundesanstalt für Materialforschung Berlin sowie der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf entwickelt. Im Zentrum der Arbeit steht ein eigens entworfener Katalysator, welcher in der Lage ist, seine Aktivität durch Bestrahlung mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge reversibel zu ändern. Damit konnten die Forscher die Herstellung von Polylactid – einem Kunststoff basierend auf Milchsäure – durch gezielte Lichtpulse wiederholt aus- und anschalten, wodurch die Kettenlänge der Polymerstränge eingestellt werden kann. Zudem gelang es zum ersten Mal, den Einbau zweier verschiedener Monomere in ein und das selbe Polymerrückgrat mit Licht zu regulieren.

„Mit unserem ferngesteuerten Katalysator sind wir nun erstmals in der Lage, die Bildung von Polymersträngen durch ein bestimmte Abfolge von Lichtpulsen gewissermaßen zu programmieren“ erläutern Fabian Eisenreich und Michael Kathan, die beiden Erstautoren der Studie, begeistert. Ihre wegweisende Entwicklung ist ein wichtiger Schritt in Richtung intelligenter Herstellungsprozesse von (bioabbaubaren) Kunststoffen, um die wachsenden Anforderungen zukünftiger Anwendungen, wie lichtgesteuertem 3D-Drucken und Photolithographie, erfüllen zu können.

A photoswitchable catalyst system for remote-controlled (co)polymerization in situ
F. Eisenreich, M. Kathan, A. Dallmann, S.P. Ihrig, T. Schwaar, B.M. Schmidt, and S. Hecht
Nature Catalysis 1 (2018) 516
DOI: 10.1038/s41929-018-0091-8


 

Kettenreaktion schaltet Moleküle in der Tiefe

Berliner Chemiker haben durch eine neue Methode das Anwendungspotential optischer Schaltermoleküle maßgeblich verbessert. Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden in der Fachzeitschrift Chem veröffentlicht.
 

Intelligente Materialien halten zunehmend Einzug in unseren Alltag, da sie ihre Eigenschaften verschiedenen Umgebungseinflüssen, wie Temperatur und Licht, anpassen können. Man denke an selbsttönende Sonnenbrillengläser, die sich in Abhängigkeit von der Helligkeit abdunkeln oder aufhellen. Als Schlüsselkomponenten der zum Einsatz kommenden Materialien dienen molekulare Photoschalter, d.h. Moleküle, die unter Einwirkung von Licht einer bestimmten Wellenlänge ihre Eigenschaften, z.B. ihre Farbe oder ihre Fähigkeit den elektrischen Strom zu leiten, verändern. Allerdings benötigen Photoschalter in der Regel energiereiches UV-Licht und lassen sich dazu weder vollständig noch besonders effizient betreiben, da man zumeist wesentlich mehr Lichtteilchen (Quanten) benötigt als Moleküle geschaltet werden. Diese Limitationen begrenzen die Anwendungsgebiete von Photoschaltern bislang enorm, da Licht umso schlechter in Materialien eindringen kann, je energiereicher es ist.

Chemiker der Humboldt-Universität und der Universität Potsdam haben nun eine Methode entwickelt, bei der Photoschalter mit geringen Mengen energiearmer roter Lichtquanten vollständig geschaltet werden können, und somit gleich alle beiden oben genannten Probleme gelöst. Durch Zufall kamen sie dem Phänomen auf die Spur, dass die Oxidation weniger Schaltermoleküle ausreicht, die gesamte Probe zu schalten. In Folge wurde die zugrundeliegende Kettenreaktion im Detail aufgeklärt und optimiert, um die Verwendung von Farbstoffen und somit die Nutzung von rotem Licht zu ermöglichen. Damit ist es nun möglich, die Quantenausbeute, die normalerweise deutlich unter 100% liegt, erstmals auf fast 200% zu schrauben – Weltrekord!

Die Tragweite ihrer Entdeckung ist beträchtlich, sind sich Dr. Alexis Goulet-Hanssens und Prof. Stefan Hecht, der am Institut für Chemie und IRIS Adlershof forscht, sicher: „Mit unserer Methode können wir erstmals Schaltermoleküle effizient in der Tiefe adressieren. Somit können wir sowohl optische Bauelemente effizient betreiben als auch durch das biologische Fenster hindurch tief in die Haut eindringen“ erläutern sie und sind im Hinblick auf mögliche Anwendungen in der Optoelektronik und Medizintechnik begeistert.

Hole Catalysis as a General Mechanism for Efficient and Wavelength-Independent Z→E Azobenzene Isomerization
A. Goulet-Hanssens, C. Rietze, E. Titov, L. Abdullahu, L. Grubert, P. Saalfrank, and S. Hecht
Chem 4 (2018) 1479
DOI: 10.1016/j.chempr.2018.06.002


 


WEITERE SCIENTIFIC HIGHLIGTHS