Katalysatoren häufig vorkommender Metalle stabilisiert durch poröse N-dotierte SiC-Materialien

• Antragsteller: Professor Dr. Rhett Kempe
• Fachliche Zuordnung: Anorganische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 461481491

Das Ersetzen von Edelmetallen durch häufig vorkommende Metalle wurde in den letzten Jahren sehr erfolgreich unter Verwendung von homogenen Katalysatoren gezeigt. Wiederverwendbare nanostrukturierte Katalysatoren, basierend auf häufig vorkommenden Metallen mit einer breiten synthesechemischen Anwendbarkeit in Hydrier- bzw. Dehydrierreaktionen, sind bisher signifikant weniger entwickelt worden. Hauptkritikpunkt sind die beobachteten deutlich niedrigeren Aktivitäten der häufig vorkommenden Metalle im Vergleich zu Edelmetallen in nanostrukturierten Katalysatoren. Polymerbasierte SiCN- und SiC-Materialien kombinieren materialspezifische Eigenschaften wie hohe thermische Belastbarkeit und Korrosionsbeständigkeit mit einer einfachen Verarbeitbarkeit und möglicher Formgebung bzw. Strukturierung bei niedrigen Temperaturen. Diese einfache Verarbeitbarkeit ermöglicht auch die Synthese von sehr aktiven Katalysatoren. In vier publizierten Vorarbeiten, „Angewandte Chemie“, 2x „Nature Communication“ und „Nature Catalysis“, wurden das Potential von Metall-SiCN-Nanokompositen als wiederverwendbare Katalysatoren und unsere Expertise in der 3d-Metall-Katalyse (heterogen) demonstriert.Im Projektantrag wollen wir zeigen, dass nanostrukturierte 3d-Metallkatalysatoren den Edelmetall-basierten Katalysatoren in Aktivität und Selektivität überlegen sein können. Geplant ist hierzu 1. Die Entwicklung von neuartigen porösen, N-dotierten SiC-Trägermaterialien. 2. Das Design von aktiven und selektiven 3d-Metall-Katalysatoren für Hydrier- und Dehydrierreaktionen. Beide Zielstellungen sind eng miteinander verknüpft, da die Trägersynthese die Basis für die Konzipierung neuer hochaktiver Katalysatoren ist.Zu 1.: SiCN und SiC haben als Basis für poröse Metallkatalysatoren materialspezifische Vor- und Nachteile. SiCN ergab deutlich kleinere und reaktivere Metallnanopartikel während das Erzeugen hoher spezifischer Oberflächen problematisch ist. Die Stabilisierung besonders kleiner und reaktiver Metallnanopartikel kann mit den N-Atomen im Träger erklärt werden, die die Metallionen und Metallcluster bzw. Partikel koordinativ stabilisieren und so während der Synthese oder Katalyse eine Reifung zu größeren Aggregaten unterbinden können. SiC lässt sich einfacher herstellen, da die Präcursorpolymere nicht hydrolyseempfindlich sind, und hohe spezifischer Oberflächen sind generierbar. Leider fehlen hier die N-Atome zur Stabilisierung sehr kleiner und hochreaktiver Metallnanocluster bzw. Partikel. Eine Kombination der Vorteile wäre poröses N-dotiertes SiC. Vorarbeiten untermauern diese Hypothese.Zu 2.: In diesem Teilprojekt interessieren wir uns für: a) die Kobalt-katalysierte reduktive Aminierung zur Synthese von primären Aminen unter sehr milden Reaktionsbedingungen, b) die Hydrierung von Nitrilen in Gegenwart von hydrierempfindlichen funktionellen Gruppen und c) das Design von selektiven (De)hydrier-Katalysatoren von bisher wenig oder nicht genutzten 3d-Metallen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen