Hybride supramolekulare Wasseroxidationskatalysatoren für eine große elektrochemische Reaktion

• Antragsteller: Dr. Jan Christian Oldengott
• Fachliche Zuordnung: Anorganische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 404574441

Die nachhaltige Speicherung von Sonnenenergie in chemischen Bindungen wird von der Natur bereits seit Jahrmilliarden mittels Photosynthese betrieben. Die Entwicklung künstlicher Photosynthesesysteme kann einen großen Beitrag zur Umsetzung der Energiewende leisten. In chemischen Bindungen gespeicherte Energie hat eine hohe Energiedichte und lässt sich leicht transportieren. Chemische Energieträger können mit konventionellen Verfahren dezentral eingesetzt und gespeichert werden, was einen entscheidenden Vorteil gegenüber rein elektrischen Systemen mit Batteriespeichern darstellt. Der entscheidende Schritt bei der Entwicklung künstlicher Photosynthesesysteme ist die Oxidation von Wasser zu molekularem Sauerstoff. In der Entwicklung molekularer Katalysatoren für die Wasseroxidation wurden in den letzten Jahren enorme Vorschritte erzielt, wodurch die Reaktionsgeschwindigkeiten inzwischen mit denen in der Natur vergleichbar sind. In diesem Projekt sollen die Reaktionsgeschwindigkeit und Stabilität von Wasseroxidationskatalysatoren für eine praktische Anwendbarkeit weiter erhöht werden. Durch ein besseres Verständnis der Katalysemechanismen wurde von Prof. Llobet und Mitarbeitern am ICIQ in Spanien der bisher beste molekulare Wasseroxidationskatalysator [Ru(tda)(py)2] entwickelt. In diesem Katalysator wird die O-O Sauerstoffbindung über einen elektrophilen Angriff eines umgepolten Sauerstoffatoms auf ein Wassermolekül aufgebaut. In der Natur wird die Aktivierungsenergie für diesen Angriff durch die Präorganisation der Wassermoleküle in der Proteinumgebung verringert. Im ersten Teil des Projekts soll eine Präorganisation von Wassermolekülen durch unterschiedliche makrocyclische Anordnungen erzeugt werden. Dazu möchte ich den Ru-tda Katalysator und verschiedene Bipyridin Liganden verwenden, um makromolekulare Koordinationseinheiten mit unterschiedlichen Porengrößen aufbauen. Anschließend soll der Einfluss der Porengröße auf die Wasseroxidationsfähigkeit der Koordinationsoligomere untersucht werden. Die Ergebnisse dieses ersten Teilprojekts möchte ich anschließend dazu verwenden 1D, 2D und 3D Koordinationspolymere mit optimierten Porengrößen aus Ru-tda Katalysatoren und Polypyridin-Liganden aufzubauen. Solche porösen Netzwerke werden ideal geeignet sein, Wassermoleküle in ihren Poren zu organisieren, um die Aktivierungsenergie für die Wasseroxidation weiter zu senken und zusätzlich die Stabilität zu erhöhen. Polymere Wasseroxidationskatalysatoren haben daher das Potenzial einen entscheidenden Beitrag zur Entwicklung künstlicher Photosynthesesysteme zu leisten.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Spanien
• Gastgeber: Professor Dr. Antoni Llobet