SUNCOCAT: Rationales Design von effizientem Energie- und Ladungstransfer in Biophotoelektroden für die direkte Umwandlung von CO2 in Kraftstoff

• Antragsteller: Professor Dr. Philip Tinnefeld, seit 12/2024
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Biologische und Biomimetische Chemie ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 501514960

Das Ziel des Projektantrages SUNCOCAT ist die Entwicklung von Elektronen- und Energietransferprozessen im Nanometermaßstab, welches schlussendlich die Herstellung von hocheffizienten neuartigen Biophotoelektroden ermöglicht. Diese ermöglichen es Sonnenlicht einzufangen und wandeln dadurch Kohlenstoffdioxid (CO2) in Kohlenstoffmonoxid (CO) um, welches anschließend als ein grundlegender Baustein für die Synthese einer Vielzahl an Chemikalien und Kraftstoffen genutzt werden kann. Diese innovative Klasse an Hybridenphotoelektroden nutzten die enorme Reduktionsstärke des Photosystem I (PSI) um den hohen Leistungsbedarf des robusten CO2-umwandenden Biokatalysators - Kohlenstoffmonoxid-Dehydrogenase (CODH) - anzutreiben. Das widerstandsfähige extremophile PSI dient hierbei als zentraler Lichtsammel- und Reduktions-Biokatalysator, welcher Solarenergie im sichtbaren Bereich des Lichtspektrum aufnimmt und damit die Reduktionschemie antreibt. Photoaktivierbare Elektronen, erzeugt durch das im PSI eingefangene sichtbare Licht, werden zu neuartigen Sauerstoff-beständigen CODH-Varianten übertragen, um atmosphärisches CO2 in CO umzuwandeln. Die Anbindung von PSI-CODH-Nanostrukturen zur Elektrodenoberfläche erfolgt durch DNA-Bausteine, welches den entscheidenden Schritt zur Verstärkung der Aufnahme von Sonnenenergie und deren Umwandlung in Kraftstoffe darstellt. Um die höchstmöglichste Energieumwandlung zu erreichen, nutzt SUNCOCAT einen hoch multidisziplinären Ansatz aus grundlegenden elektrochemischen, sowie quanten-/molekular-mechanischen (QM/MM) Berechnungsmethoden von Elektronentransfer-Prozessen (ET) zusammen mit einer Vielzahl an physikalisch-chemischen, genetischen und biophysikalischen Methoden, um eine effiziente Verknüpfung der abiotischen und biotischen Komponenten zu generieren und eine ausbeutenreiche und selektive Solar-getriebenen Umwandlung von CO2 zu CO zu erreichen. Eine gezielte Verknüpfung der robusten biophotokatalytischen Nanostrukturen auf der Elektrodenoberfläche, unter Verwendung physikalisch-chemischer Methoden (kontrollierte Adsorption, molekulare Verknüpfung und DNA-Origamistrukturen und plasmonische Verstärkung der Absorption und Fluoreszenz), sowie die orientierte Kopplung an leitfähige Materialien, wie z. Bsp. Einzellagen aus Graphen (SLG) auf fluordotiertes Zinnoxid (FTO), werden zur Optimierung des Energie- und Ladungstransfer (CT) innerhalb der Hybridphotoelektrode für eine effiziente solarbetriebene chemische Umwandlung genutzt. Mit seinem facettenreichen und interdisziplinären Ansatz strebt SUNCOCAT nach einem hocheffizienten „Solar-to-Fuel”-Prozess auf einem neuartigem hybriden Nanostrukturen, um die gewünschte Reduktionschemie über einen rationalen Ansatz voranzutreiben, der auf einer Kombination aus repetitiven ET-Berechnungen und modernsten spektroelektrochemischen Untersuchungen derer und deren konkurrierenden Prozesse basiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich, Polen, Türkei
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professorin Joanna Kargul, Ph.D.; Professor Dr. Christophe Léger; Professor Dr. Kasim Ocakoglu
• Ehemalige Antragstellerin: Izabela Kaminska, Ph.D., bis 11/2024