Photoelektrochemische N2-Fixierung im kontinuierlichen Fluss zur Generierung von kleinen und hochwertigen organischen Molekülen

• Antragsteller: Dr. Joshua Philip Barham, Ph.D.; Dr. Paolo Giusto, Ph.D., seit 8/2023
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Organische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 501674274

Dieses Projekt strebt die Synthese, Charakterisierung und Nutzung von neuartigen heterogenen Photokathodenmaterialien an, welche dem Zweck der reduktiven N2-Fixierung in kleinen organischen Molekülen innerhalb organischer Lösungsmittel dienen. Die Kombination aus Redoxenergien, welche Anwendung in der Elektrochemie finden, und Photonen des sichtbaren Spektrums stattet die heterogene Photokathode dabei mit genügend Energie aus, um an Oberflächen vermittelte Stickstofffixierung bei reduktiven Prozessen zu ermöglichen. Dabei werden zwei Arten von heterogenen Photokathoden untersucht: i) Photokathoden basierend auf Kohlenstoffnitride mit eingearbeiteten Alkali- bzw. Übergangsmetallen der ersten Reihe ii) Photokathoden bestehend aus einer Doppelschicht von CuO/Cu2O. Die photoelektrochemische Reduktion von N2 wird dabei mit der Oxidation, welche ebenfalls elektrochemisch vermittelt wird, eines kleinen organischen Moleküls gekoppelt, um die Umwandlung von einfachen organischen Stoffen in hochwertigere Amine, Aminosäuren oder Azolen zu ermöglichen. Kontinuierlich laufende Flowreaktoren werden dabei als ideale Reaktoren für den Umgang mit zweiphasigen photoelektrochemischen Gas-Flüssig-Reaktionen genutzt. Ihre Fähigkeit, Gegendruck auszuüben und dadurch die Konzentration von N2 in Lösung zu erhöhen, begünstigt die Kinetik der N2-Fixierung. Zusätzlich hierzu erlaubt die Durchführung in einem organischen Lösungsmittel anstelle von Wasser, es durch das Ausschließen von der konkurrierenden Wasserstofferzeugung den faradayschen Wirkungsgrad zu erhöhen und fördert des Weiteren die Löslichkeit von Stickstoff. Im Rahmen des Schwerpunktprogrammes 2370 (SPP 2370) zur Umwandlung von Stickstoff vereint dieses Projekt disziplinübergreifend die Expertise aus den Forschungsgebieten der organischen Synthese, der Charakterisierung und Synthese von heterogenen Stoffen, der synthetischen Photoelektrochemie und der kontinuierlichen Gas-Flüssig-Flow Chemie.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2370: Verknüpfung von Katalysatoren, Mechanismen und Reaktorkonzepten für die Umwandlung von Distickstoff durch elektrokatalytische, photokatalytische und photoelektrochemische Methoden ("Nitroconversion")
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Oleksandr Savatieiev, Ph.D., bis 8/2023