Hydrogel-Schutzschilde für die Immobilisierung und Stabilisierung von Katalysatoren für die H2-Oxidation und CO2-Reduktion

• Antragsteller: Professor Dr. Nicolas Plumeré
• Fachliche Zuordnung: Analytische Chemie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 283974326

Der Einsatz von Metalloenzymen oder synthetisch dargestellten anorganischen Komplexen als Katalysatoren besitzt hohes Potenzial um neue zentrale Wege in der Energieproduktion und industriellen Synthesen zu erschließen. Die geringe Stabilität und die hohe Empfindlichkeit gegenüber Sauerstoff, hat dies bis jetzt jedoch erschwert. Der deutsche Kooperationspartner, hat kürzlich demonstriert, dass Hydrogenase, ein hoch effizienter aber instabiler biologische Katalysator für die Oxidation von H2, durch Einbringen in ein speziell entwickeltes Redox-Hydrogel erfolgreich vor einer Beschädigung durch Sauerstoff geschützt werden kann, indem O2 an der Polymeroberfläche reduziert wird. Der Polymerfilm bietet somit einen selbst-aktivierten O2-Schutz.[Plumeré et al, Nature Chemistry, 2014] Basierend auf diesen Ergebnissen wurde eine Kooperation zwischen der französischen und deutschen Gruppe initiiert, die bereits erste Erfolge im Bereich der Rationalisierung des vorliegenden Reaktionsmechanismus und der Optimierung der Polymer-Katalysator-Film-Struktur vorweisen kann [Fourmond et al, J. Am. Chem Soc., 2015].Diese zuletzt erhaltenen Ergebnisse, sollen als Startpunkt für eine umfassende Charakterisierung und das vollständige Verständnis des Konzepts benutzt werden. Dies stellt das Ziel dieses internationalen und interdisziplinären ANR/DFG-Projektes dar.Durch Untersuchungen an verschiedenen Film-Konfigurationen (oxidative oder reduktive Katalyse in dicken und dünnen Filmen), die Enzyme wie Hydrogenasen und CO Dehydrogenasen enthalten, soll dieses neuartige Konzept analysiert und geprüft werden. Die dabei verwendeten Modell-Enzyme, die vom französischen Partner bereitgestellt werden, können aufgrund ihrer Eigenschaften wie reversible und irreversible Katalyse, reversible und irreversible Inhibierung durch O2 und durch gezielte Protein Entwicklung kontrollierbare Inaktivierungs- und Aktivierungsraten, die oben beschriebenen Katalysatorsysteme simulieren.Eine enge Zusammenarbeit zwischen den beiden Kooperationspartnern ist unerlässlich, da für das Verständnis des Schutzmechanismus des Redox-Hydrogels die Bestimmung der kinetischen und geometrischen Eigenschaften des katalytisch aktiven Films nötig ist und diese in realistischen mathematischen Modellen eingesetzt werden müssen, die die verschiedenen chemischen Reaktionen und Diffusionsprozesse im inneren des Polymerfilms berücksichtigen (Französische Gruppe). Die Modelle sollen dann in realen Experimenten an Hand des Einflusses von O2 auf den detektierten katalytischen Strom, evaluiert und bestätigt werden. Die erhaltenen Daten sollen dann für die gezielte Synthese neuer Polymerfilme mit entsprechend angepassten Eigenschaften genutzt werden (Deutsche Grupp). Die Optimierung wird im Hinblick auf den besten Kompromiss zwischen Gesamtleistung des Systems, Effizienz des Katalysators sowie die Beständigkeit gegen Sauerstoff und daraus eine Maximierung der Leistung des Katalysators erfolgen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Professor Dr. Christophe Léger