Bioinspiriertes Design von kooperativen Elektrokatalysatoren zur nachhaltigen Nutzung von CO2

• Antragsteller: Dr. Moritz F. Kühnel
• Fachliche Zuordnung: Anorganische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 235251984

Die globalen Auswirkungen steigender CO2-Konzentrationen in der Atmosphäre und die Folgen stetig anziehender Ölpreise für die Weltwirtschaft haben in jüngster Zeit ein großes Interesse an der Verwendung von CO2 als C1-Rohstoff für die chemische Synthese geweckt. Um aus thermodynamisch und kinetisch stabilem CO2 hochwertige Produkte wie CO zu gewinnen, muss Energie aufgebracht werden und es bedarf eines Katalysators. CO ist ein wichtiger Industrierohstoff, der zu flüssigen Treibstoffen verarbeitet werden kann.Natürliche Enzyme wie Kohlenmonoxiddehdrogenasen (CODHs) sind hervorragende Katalysatoren für die elektrochemische Reduktion von CO2 zu CO, sie sind selektiv, effizient und basieren auf häufig vorkommenden Übergangsmetallen. Ihre Effizienz beruht auf einem hoch spezialisierten Netzwerk von Außensphären-Wechselwirkungen zur Stabilisierung des CO2-Moleküls. Aufgrund hoher Kosten und Empfindlichkeit sind praktische Anwendungen von CODHs jedoch ausgeschlossen.Die Leistungsfähigkeit synthetischer CO2-Reduktionskatalysatoren ist weitaus geringer. Die meisten Systeme basieren auf Edelmetallen und benötigen drastische Bedingungen, d.h. sie verschwenden Energie aufgrund hoher Überspannung. Neuere Erkenntnisse legen nahe, dass Außensphären-Wechselwirkungen auch in synthetischen Systemen eine wichtige Rolle spielen, diese Tatasache ist bisher jedoch nicht in systematisches Katalysator-Design eingeflossen.In diesem Forschungsvorhaben sollen daher bio-inspirierte Elektrokatalysatoren zur Reduktion von CO2 zu CO entwickelt werden, die die Außensphären-Wechselwirkungen der Protein-Umgebung mithilfe neuartiger kooperative Liganden nachgeahmen.Zunächst soll eine Reihe von Bis(imino)pyridin-Liganden (PDI-Liganden) mit einer peripheren Funktionalität wie z.B. einer Amino-, Hydroxy- oder Boryl-Gruppe in verschiedenen Anordnungen dargestellt werden. In Analogie zum bereits bekannten nicht funktionalisierten CO2-Reduktionskatalysator [Ni(PDI)2+] kann aus diesen Liganden eine Familie von funktionalisierten Nickelkomplexen erzeugt werden.Die elektrochemische Bewertung ihrer katalytischen Performance erlaubt es, ein quantitatives Maß für den Einfluss der Außensphären-Wechselwirkungen und optimale Positionierung einer jeden Gruppe zu bestimmen.Mit diesem Wissen kann die Additivität von zwei und mehr kooperativen Funktionalitäten untersucht werden. In Kombination mit mechanistischen Untersuchungen und systematischer Optimierung der sterischen und elektronischen Parameter des Liganden sowie des Metallzentrums kann eine deutliche Verbesserung des Katalysators hinsichtlich Selektivität, Überspannung und Effizienz erzielt werden.Schließlich soll ein mit einer Ankergruppe versehenes Derivat des optimierten Komplexes dargestellt und auf einer nanostrukturierten Elektrode mit großer Oberfläche immobilisiert werden. Dadurch kann ein neuartiges heterogenes Hochleistungs-System zur CO2-Reduktion mit Hinblick auf eine praktische Anwendung hergestellt werden.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Gastgeber: Professor Erwin Reisner, Ph.D.