Katalytische und elektrochemische Wiedergabe von in verspannten organischen Verbindungen gespeicherter Sonnenenergie

• Antragsteller: Professor Dr. Julien Bachmann, Ph.D.; Professor Dr. Jörg Libuda; Professor Dr. Christian Papp
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 392607742

Die Konversion und Speicherung von Sonnenenergie kann über intramolekulare Reaktionen in einfacher und effizienter Weise gekoppelt werden. Eine solche Integration von Konversions- und Speicherprozessen würde wesentliche Vorteile photovoltaischer und photochemischer Verfahren in einem einzigen molekularen System vereinigen. Der Prototyp für solche Reaktionen ist das Norbornadien/Quadricyclan-System (NBD/QC), in dem Bindungsbruch und -bildung strukturell extrem einfache Prozesse darstellen. Dabei setzt die Umlagerung des hochverspannten "Solar Fuels" QC zu NBD bis zu 100 kJ/mol frei, eine Energiedichte, die der von Hochleistungsbatterien vergleichbar ist.Das vorliegende Projekt soll die notwendige Wissensbasis schaffen, um das Potential intramolekularer Energiespeicherung in organischen Molekülen effektiv zu nutzen. Hierzu adressieren wir drei zentrale Herausforderungen der Energiefreisetzung: (1) Katalytische Kontrolle: Ausgehend von einem grundlegenden Verständnis der katalytischen Energiefreisetzung und unerwünschter Nebenreaktionen wie Dehydrierung und C-C-Bindungsbruch entwickeln wir Katalysatorsysteme mit verbesserter Selektivität und somit höherer Reversibilität im Speicherzyklus. (2) Elektrochemische Kontrolle: Ausgehend von einem grundlegenden Verständnis der elektrochemischen Energiefreisetzung entwickeln wir Elektroden und elektrochemische Umgebungen, die unerwünschte Nebenreaktionen unterdrücken und so die Reversibilität des photoelektrochemischen Speicherprozesses erhöhen. (3) Direkte Konversion in elektrische Energie: Langfristig besteht unsere Vision in der direkten Konversion der in QC gespeicherten chemischen Energie in elektrische Energie, was den Bau einer "energiespeichernden Solarzelle" ermöglichen könnte. Wir planen, dieses Funktionsprinzip konzeptionell anhand von Hybridgrenzflächen mit geeigneter elektronischer Struktur, chemischer Struktur und elektrochemischer Stabilität nachzuweisen. Um diese anspruchsvollen Ziele zu erreichen, kombinieren die Arbeitsgruppen Bachmann, Libuda und Papp ihre komplementäre Expertise in den Bereichen Oberflächenwissenschaften, In-Situ-Spektroskopie, Elektrochemie und Materialwissenschaften. Mittels von Untersuchungen im Ultrahochvakuum, bei Umgebungsdruck, an Fest/Flüssig-Grenzflächen und unter (photo)elektro­chemischen Bedingungen sollen Mechanismen, Kinetik, Energetik und Stabilitäten im NBD/QC-System sowie bei geeigneten Derivaten aufgeklärt werden. Durch die Kombination von Experimenten an Modellgrenzflächen und nanostrukturierten Materialien sollen so Einblicke in die Prozesse gewonnen werden, die bisher die Reversibilität der Reaktion begrenzen. Auf dieser Basis sollen dann verbesserte katalytische und elektrochemische Speichersysteme entwickelt werden, die mit geeigneten Molekülen, Materialien und Methoden eine reversiblere, effizientere und besser kontrollierbare Energiegewinnung und -speicherung in solchen "Single-Photon, Single-Molecule"-Systemen gestatten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen