Explorative Synthese von Gallium‐ und Indiumboraten unter extremen Bedingungen: M₅B₁₂O₂₅(OH): Struktur, Lumineszenz und überraschende photokatalytische Eigenschaften

Abstract

Explorative Festkçrperchemie führte zur Entdeckung der beiden neuen Phasen Ga 5 B 12 O 25 (OH) und In 5 B 12 O 25 (OH). Mithilfe eines Walker-Moduls (Multianvil-Technik) führten extreme synthetische Bedingungen von 12 GPau nd 1450 8 8Cz ur Bildung eines unvorhergesehenen tetragonalen Strukturtyps.D ieser ist aus kondensierten BO 4 -Tetraedern mit kuboktaedrischen Kavitäten aufgebaut. Im Fall von In 5 B 12 O 25 (OH) war es mçglich, diese Kavitäten mit Eu 3+ zu dotieren, womit nachA nregung eine orange-rote Lumineszenz beobachtet werden konnte.I np hotokatalytischen Tests mit der Phase In 5 B 12 O 25 (OH) zeigte sich überraschenderweise eine hohe Wasserstoffproduktionsrate,d ie mit der von TiO 2 vergleichbar ist. Bemerkenswert ist allerdings,d ass im Falle des In 5 B 12 O 25 (OH) kein Kokatalysator verwendet wurde. Der Übergang von den begrenzten fossilen Energieträgern hin zu erneuerbaren Energien ist eine der grçßten Herausforderungen der Menschheit. In unserer Zeitskala ist die Sonne eine reiche und unerschçpfliche Energiequelle.D ie Suche nach Wegen zur direkten Umwandlung von Solarenergie in chemische Energie wird bereits seit dem Jahr 1972 auf Basis der grundlegenden Arbeiten von Fujishima und Honda betrieben. [1] In diesem Zusammenhang wird Wasserstoff in Brennstoffzellen als durchaus geeignetes Gas genutzt, wobei allerdings die Speicherung von Wasserstoff aufgrund seiner hohen Flüchtigkeit ein immer noch ungelçstes Problem darstellt. Ein mçglicher Lçsungsansatz ist die Speicherung in Form von Kohlenwasserstoffen, wie z. B. Methanol, aus welchem der Wasserstoff zu einem späteren Zeitpunkt wieder über einen Reformationsprozess zurückgewonnen werden kann. In diesem Bereich wurden in den vergangenen Jahren eine Vielzahl von Systemen in ihrer Funktion als potentielle Photokatalysatoren zur Freisetzung von Wasserstoff getestet, wobei auch die Substanzklasse der Metallborate aufgrund ihrer recht hohen Stabilitäts ignifikant an Bedeutung gewonnen hat. Insbesondere die Tr iel-Borate sind in letzter Zeit von uns und anderen Arbeitsgruppen aufgrund ihrer photokatalytischen Aktivitäti nd en Fokus der wissenschaftlichen Forschung getreten. [2] Im Gegensatz zu den meisten anderen Komponenten ist unser hier neu entdecktes Indiumborat In 5 B 12 O 25 (OH) dazu in der Lage,W asserstoff ohne die Hilfe eines Kokatalysators zu erzeugen, wie wir folgend in dieser Publikation berichten werden. Neben diesen interessanten Eigenschaften repräsentiert In 5 B 12 O 25 (OH) im Bereich der Borate einen neuen Strukturtyp M 5 B 12 O 25 (OH), in welchem zum zweiten Mal (neben MBO 3 ) [3] sowohl Gallium als auch Indium als Metallkationen eingebaut werden kçnnen. Im System der In-B-O-H-Borate wurden in den vergangenen Jahren 2010, 2016 und 2018 drei weitere Phasen (H 2 InB 5 O 10 ,I n 19 B 34 O 74 (OH) 11 und InB 6 O 9 -(OH) 3 ) [4] publiziert, womit die Bedeutung dieses Forschungsgebietes unterstrichen wird. Im System Ga-B-O-H stellt Ga 5 B 12 O 25 (OH) neben Ga 9 B 18 O 33 -(OH) 15 ·H 3 B 3 O 6 ·H 3 BO 3 [5] und Ga 2 B 3 O 7 (OH) [6] das nu...

Al5B12O25(OH) and Ga4InB12O25(OH) – two additional triel borates with the structure type M 5B12O25(OH) (M = Ga, In)

“…In contrast to Ti 5 B 12 O 26 , where the charge of the missing hydrogen atom is simply compensated by titanium being partially oxidized to 4+, CaMg 2 P 6 O 3 N 10 bears no resemblance regarding the formula at first glance. However, the oxonitridophosphate shows obvious structural similarities which have already been discussed in our original publication of M 5 B 12 O 25 (OH) (M = Ga, In) [1,2].…”

“…In the last decade, our research group focused on highpressure gallium and indium borates represented by 11 different compounds in this field since 2015. Recently, we reported on the successful synthesis of M 5 B 12 O 25 (OH) (M = Ga, In) [1,2], a structure type incorporating either gallium or indium as metal cations. This was an intriguing finding, given that until then only the well-known calcitetype ortho-borates MBO 3 (M = Al, Ga, In, Tl) [3,4] were known to form isotypic compounds in this system.…”