Schutz von O2-sensitiven Katalysatoren unter reduktiven Bedingungen

• Antragsteller: Professor Dr. Nicolas Plumeré
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 490864939

Die Umsetzung von Energieumwandlung mit Wasserstoff und CO2 erfordert Lösungen, die die O2-Inaktivierung von biologischen oder synthetischen Katalysatoren, die auf reichlich vorhandenen Übergangsmetallen basieren, verhindern. Die Partner des Projekts haben kürzlich eine Strategie für die Verwendung von O2-sensitiven Katalysatoren der H2-Oxidation unter aeroben Bedingungen entwickelt, die darin besteht, den Katalysator in einen sorgfältig entworfenen mikrometerdicken Redox-Polymer-Film einzubetten, der in einer Elektrode aufgetragen wird. Sie zeigten, dass ein Selbstschutz auftritt, weil zusätzlich zur katalytischen Wasserstoffoxidation in der Nähe der Elektrode ein Teil des ankommenden H2 in der Nähe der Film/Lösungs-Grenzfläche katalytisch oxidiert wird, um die O2-Moleküle zu reduzieren, die den Film durchdringen (J. Am. Chem. Soc. 141 16734 2019). Neuere Ergebnisse der Partner zeigen, dass ein bestimmtes Polymerdesign die H2-Oxidation und Produktion in demselben Film ermöglicht (Nature Catalysis 4 251 2021). Dieses neue Ergebnis eröffnet die Möglichkeit für ein eigenes Schutzkonzept, das in PROSECCO erforscht wird und den Schutz von O2-sensitiven Katalysatoren unter reduktiven Bedingungen (z. B. für die katalytische H2-Evolution oder CO2-Reduktion) ermöglichen soll. Dieser neue Schutzmechanismus erfordert, dass ein Teil des H2, das katalytisch in der Nähe der Elektrode produziert wird, in der Nähe der Film/Lösungs-Grenzfläche reoxidiert wird, um die O2-Moleküle zu eliminieren. Wir werden diese Schutzstrategie im Projekt erforschen, nachdem wir Polymere und Metalloenzyme, die H2 oder CO2 umwandeln, gescreent und optimiert haben (Aufgabe 1), und die kinetischen Modelle der bidirektional vermittelten Katalyse in dünnen Filmen in Abwesenheit von O2 entwickelt haben (Aufgabe 2). In Aufgabe 3 werden wir den Effekt von O2 sowohl experimentell als auch theoretisch erforschen, indem wir fragile, aber sehr effiziente biologische bidirektionale Katalysatoren der H2-Produktion und CO2-Reduktion verwenden. Wir werden einen Ansatz verwenden, der die Expertise der beiden Partner in der Biochemie (Produktion und Optimierung von Metalloenzymen), der synthetischen Chemie (Redox-Polymere und Dendrimere), der physikalischen Chemie (elektrochemische Charakterisierung der Redox-Filme) und der Modellierung (numerisch und analytisch und Auflösung von Reaktions-Diffusions-Systemen) kombiniert. Task 2 wird ein sehr wichtiges und allgemeines Wissen für die wissenschaftliche Gemeinschaft der Elektrochemie und Katalyse liefern, was sehr zeitgemäß erscheint, wenn man das aktuelle Interesse an reversibler Katalyse betrachtet (Fourmond et al, Nat. Rev. Chem. in press 2021). Die Ergebnisse von Task 3 werden auch nützlich und allgemein sein, da wir davon ausgehen, dass sich die neue Schutzstrategie für Enzyme, aber auch für O2-sensitive synthetische anorganische Katalysatoren von sehr wichtigen Reaktionen im Kontext von Umwelt und Energie als einsatzfähig erweisen wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Professor Dr. Vincent Fourmond; Professor Dr. Christophe Léger