NSF-DFG Echem: Synergistische experimentelle und rechnergestützte Ansätze für das Design von Elektrokatalysatoren mit protonen-reaktiver Ligandenarchitektur

• Antragsteller: Professor Dr. Stefan Grimme
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation ; Anorganische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung ; Organische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 460468997

Das Speichern und Freisetzen von Energie mit chemischen Bindungen unter Verwendung nicht-petrochemischer kleiner Moleküle ist aufgrund der Skalierbarkeit, Stabilität und Flexibilität für den kurzfristigen oder langfristigen technischen Einsatz attraktiv. Nicht-Edelmetalle dazu zu bringen, Reaktionen unter abiotischen Bedingungen zu katalysieren und gleichzeitig die Aktivität und Effizienz von Enzymen zu replizieren, bleibt eine Herausforderung auf dem Gebiet der chemischen Grundlagenforschung. Um die Eigenschaften neuer Katalysatoren für die Speicherung chemischer Energie genau zu bewerten und vorherzusagen, müssen Experimentatoren und Theoretiker zusammenarbeiten, damit neue Werkzeuge für die Chemie allgemein zugänglich werden. Dieses Projekt profitiert von einem gemeinsamem experimentellen und theoretischen Ansatz zur Bewältigung global relevanter Herausforderungen. Einige Enzyme verwenden eine an das Katalysatorgerüst gebundene Base, wodurch die Protonentransferraten und -effizienzen während der H2-Produktion verbessert werden sollen. Anhand dieser Template als Inspiration für die Herstellung synthetisch handhabbarer molekularer Elektrokatalysatoren konzentriert sich die Synthese auf die Koordination von aminfunktionalisierten Cyclopentadienylliganden an Nichtedelmetalle, die in der Elektrokatalyse beispiellos sind. Der Einfluss primärer / sekundärer Koordinationssphären auf die elektrokatalytische H2-Produktion wird mit spektroskopischen und elektroanalytischen Methoden eingehend untersucht. Die Charakterisierung und mechanistische Analyse sind zur Unterstützung eng mit modernen theoretischen Methoden der Computerchemie verknüpft. Die Leistung des Elektrokatalysators wird durch Messung des Redoxpotentials, der Umsatzhäufigkeit, des Überpotentials und von Skalierungsbeziehungen bewertet. Experimentelle und rechnerische Analysen untersuchen die freien Energielandschaften von Elektrokatalysatoren über Redoxpotentiale und -aciditäten von M-H / N-H / C-H Gruppen. Diese Parameter sollen die Syntheseüberlegungen steuern und voraussagen, welche Katalysatormodifikationen die Unterschiede der freien Energie von Zwischenprodukten minimieren könnten. Es werden quantenchemische Methoden auf dem neuesten Stand der Technik eingesetzt, darunter das automatische "screening" von Konformeren, die Behandlung von Solvatationseffekten und die halbautomatische Explorationen von Reaktionsnetzwerke. Die Entwicklung und Verbesserung der theoretischen Methoden wird von ihrer Anwendung auf die komplexen mechanistischen Fragestellungen stark profitieren.Weitergehende Themen wie Nachhaltigkeit treiben die Wissenschaft voran und nutzen die Natur als Inspiration, um die Anwendung erneuerbarer Energien mehr in die Gesellschaft einzubringen. Die Entwicklung von (halb-)automatisierten Computer-"workflows" wird Chemikern helfen ähnliche Probleme auf Standard-Desktop-Computern anstelle von Supercomputern lösen zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Professor Dr. Demyan Prokopchuk