Solarenergie dominiert mit einem jährlich technisch nutzbaren Energiepotenzial von bis zu 50.000 EJ die möglichen alternativen Energiequellen. Photokatalysatoren bieten die Möglichkeit dieses enorme Potential direkt für chemische Reaktionen nutzbar zu machen, wodurch ressourcenintensive und umweltbelastende Technologien überflüssig werden. Bevor ein großtechnischer Einsatz von Photokatalysatoren jedoch Realität wird, muss das Verständnis über maßgeschneiderte Anwendungen noch erweitert werden. Daher werden in dieser Arbeit Struktur-Eigenschafts- und Struktur-Aktivitätsbeziehungen von kovalenten Triazin-basierten Netzwerken (kurz CTFs für engl. covalent triazine-based frameworks) zur effizienten photokatalytischen Umwandlung biogener Ressourcen untersucht.

CTFs bieten dabei aufgrund der kontrollierbaren Materialeigenschaften die ideale Basis. Es gilt die Einflüsse der molekularen Zusammensetzung und der Strukturierung des Materials auf die physikochemischen und optoelektronischen Eigenschaften zu analysieren und deren Effekt auf Aktivität und Selektivität in der Photoredoxkatalyse von biogenen Substraten zu verstehen. Hierfür werden die Materialien bezogen auf die Wahl des Monomers, der Syntheseroute und einer möglichen Metallbeladung systematisch variiert. Die Veränderung der Absorbanz, der Redoxpotentiale, der Ladungsseparation und des Ladungstransports, sowie der Polarität, der Stabilität und der Strukturierung werden charakterisiert. Als Modellreaktion steht zurzeit die Oxidation von 5”‘Hydroxymethylfurfural (HMF) zu 2,5”‘Diformylfuran und 2,5”‘Furandicarbonsäure im Fokus des Projektes.

Die Polykondensation von Diamidinen mit Dialkokohlen bzw. Dialdehyden wurde als vorteilhafteste Synthesemethode für CTFs identifiziert. Hierüber lassen sich systematisch variierbare Netzwerke mit hoher Ordnung und geringem Grad an Fehlstellen darstellen. Die gewonnen Materialien kommen idealisierten CTF-Strukturen am nächsten und ermöglichen eine detaillierte Diskussion verschiedener CTFs. In einem ersten Vergleich konnten bereits Zusammenhänge zwischen Struktur, Bandlücke und Redoxpotential herausgearbeitet werden. So führt ein ausgedehnteres konjugiertes System in der Verknüpfungseinheit zu einer kleineren Bandlücke im CTF, darüber hinaus sinken ebenfalls das Reduktions- und das Oxidationspotential. Heteroatome der fünften Hauptgruppe in der Verknüpfungseinheit wirken wie eine n-Dotierung des Netzwerkes, was dieselben Effekte erzielt.  Die Ergebnisse der photokatalytischen Oxidation von 5”‘Hydroxymethylfurfufal (HMF) zeigen, dass die Aktivität ein Zusammenspiel aus Lichtabsorption, Ladungsträgerrekombination, Polarität und spezifischer Oberfläche ist. Des Weiteren hängt die Selektivität der Reaktion in diesem Vergleich nicht von der Fähigkeit des CTFs ab Hydroxilradikale zu bilden, wie es häufig für Photooxidationen der Fall ist. Stattdessen wird die Bildung von 2,5”‘Diformylfuran (DFF) oder 5-Hydroxy-5-hydroxymethylfuranone (H²MF) maßgeblich von der Sauerstoffreaktion zu ¹O₂ oder O₂^·- bestimmt. Experimente zur Interaktion von Platin mit CTF-1 zeigen eine maximale Chemiesorption von ca. 1,5 Gew%, die zu keiner offensichtlichen Änderung der optoelektronischen Eigenschaften führt. Jedoch müssen die Charakterisierungen noch einmal verfeinert werden, da erste katalytische Ergebnisse auf eine verbesserte Selektivität zu DFF hindeuten.

Weitere Studien werden sich insbesondere mit der Validierung der aufgestellten Hypothesen beschäftigen, sowie der Vergrößerung der Datensätze. In einem abschließenden Kapitel sollen die gewonnen Erkenntnisse über CTF Photokatalysatoren in der gesellschaftlich hochrelevanten photokatalytischen Wasserspaltung angewendet werden.