Synthese von Metall Nanopartikeln an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Flüssigkeit für eine zweiphasige katalytische Synthese von Wasserstoffperoxid an der Grenzfläche von Tropfenreaktoren

• Antragstellerin: Shokoufeh Rastgar, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 457478500

Dieses Projekt widmet sich der heterogenen Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) an der Grenzfläche zwischen zwei nicht mischbaren Elektrolytlösungen die durch metallische Nanopartikel (NPs) in Bezug auf die Bildung von H2O2 optimiert wird. Dabei sollen die NP selber an dieser Grenzfläche synthetisiert werden. Die Metallisierung der flüssig-flüssig (L/L)-Grenzfläche ermöglicht es, dort die ORR an einer gewöhnlichen Goldelektrode in neutraler Lösung zu imitieren, wobei ein in der organischen Phase löslicher Elektronendonor, die Elektronen liefert und das an der Grenzfläche wirksame Potential über die Galvani-Potentialdifferenz ∆aq/o zwischen den beiden Elektrolytlösungen eingestellt werden kann. Die Verteilung von Ionen zwischen den beiden Phasen kann ∆aq/o eingestellt werden, ohne dass eine externe Spannungsquelle notwendig ist. Diese Eigenschaften sind besonders günstig für eine Integration von Charakterisierungsverfahren insbesondere für die Untersuchung in kleinen Skalen, z.B. in einem Tropfenreaktor.Zuerst die Synthese der Metall-NPs an der L / L-Grenzfläche in einem Tropfenreaktor miniaturisiert kann. Der gleiche Reaktor can auch für die katalytische Reaktionsführung genutzt werden. Diese Tröpfchen können als kombinatorisches Array an einer L/L Grenzfläche für die Hochdurchsatzcharakterisierung sowohl der Struktur als auch die katalytische Funktion von Metallnanopartikeln angeordnet werden. In dieser Anordnung stellt jeder Tropfen einen Reaktor eines metallischen NPs in einem zweiphasigen Fluid dar, dessen Größe, Struktur und Zusammensetzung systematische variiert werden kann. Zur Herstellung der Arrays kommt ein neues tropfenbasiertes Inkjet-Verfahren zum Einsatz.Zweitens kann das elektrochemische Rastermikroskop (SECM) als Charakterisierungsmethode für katalytische Reaktionen an L/L-Grenzflächen verwendet werden. Trotz der einzigartigen Eigenschaften von L/L-Grenzflächen hat sich das Gebiet nicht sehr stark entwickelt, was an der Fehlen geeigneter Methode liegt, die die komplexen Transferprozesse von Elektronen, Ionen und neutralen Molekülen an der L/L-Grenzfläche differenzieren können. Um hier Fortschritte zu erzielen, werden SECM-Konfigurationen in diesem Projekt zur Produktdetektion (z. B. H2O2) während katalytischer protonengekoppelter Elektronenreaktionen (z. B. ORR) verwendet, um die Selektivität des Systems zu verfolgen und zu optimieren.Drittens wird in diesem Projekt eine neuartige elektrochemische Durchflusszelle unter Verwendung von L / L- Grenzfläche entworfen. Dieses zweiphasige System zur Synthese von H2O2 ist einzigartig, da es die unmittelbare Extraktion von H2O2 in die wässrige Phase erlaubt und damit typische Probleme solcher Verfahren wie Katalysatorrückgewinnung, Produktabtrennung und Nebenreaktionen umgehen kann. Damit soll die Vision verfolgt werden, die exergonische H2O2-Synthese mit der Erzeugung von elektrischer Nutzenergie zu kombinieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Gunther Wittstock