N-heterocyclische Carbenen für die elektrochemische Reduktion von Kohlendioxid

• Antragsteller: Dr. Juan Jesus Navarro Ocana
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 520865477

Eine der wichtigsten Aufgaben unserer Zeit ist die Umsetzung der Klimaneutralität in unserer heutigen Gesellschaft zur Eindämmung des anthropogenen Klimawandels. Die elektrochemische Reduktion von CO2 (CO2RR) spielt hierbei eine Schlüsselrolle. Ziel ist es den Kohlenstoffkreislauf zu schließen, indem erzeugtes CO2 in wertvolle chemische Rohstoffe umgewandelt wird. Diese Reaktion stellt noch immer eine große Herausforderung dar. Probleme bei der industriellen Umsetzung sind dabei geringe Selektivität und hohe Überspannungen, um nur einige zu nennen. Große Anstrengungen werden unternommen, um Aufschluss über grundlegenden Eigenschaften dieser Reaktion zu erlangen. Dies gelingt beispielsweise durch Einsatz von Einkristallelektroden und einer Vielzahl von In-situ-Techniken. Kupfer ist zur Zeit der einzige Katalysator, der die Umwandlung von CO2 effektiv zu höheren Kohlenwasserstoffen und Alkoholen ermöglicht. Die Funktionalisierung von Kupferelektroden anhand organischer Moleküle hat sich als vielversprechende Strategie zur Einstellung der Selektivität bei der CO2RR herausgestellt. Gleichzeitig haben N-heterocyclische Carbene (NHCs) neue Wege bei der Modifizierung von Oberflächen eröffnet. Diese organischen Liganden sind in der Lage, starke Bindungen zu einer Vielzahl von Oberflächen, wie Metallen, Oxid-Dünnschichten oder Halbleitern, zu bilden. Dieses Projekt schlägt vor, durch die Funktionalisierung von Cu-Oberflächen anhand von NHC-Liganden die Produktverteilung der CO2RR abzustimmen. NHCs können die inhärente Reaktivität der Oberfläche beeinflussen, indem sie beispielsweise Adsorptionsenergien oder elektronische Eigenschaften modifizieren. Durch Abstimmung der Substituenten der NHC-Liganden ist es sogar möglich, den Zugang verschiedener Reaktanden, wie etwa Wassermoleküle, zur Oberfläche zu steuern. Darüber hinaus wird das Wachstum von auf NHC-basierten zweidimensionalen (2D) Materialien einschließlich kovalenter und metallorganischer Netzwerke auf Cu-Oberflächen verfolgt, um maßgeschneiderte ultrastabile organische Schichten zu schaffen, die die Aktivierung von CO2-Molekülen unterstützen. Insbesondere könnten aus NHC bestehende Triazin-Netzwerke auf Cu-Oberflächen gebildet werden. Triazin hat sich als wirksam bei der CO2-Abscheidung und -Aktivierung erwiesen. In ähnlicher Weise wurden metallorganische Gerüste erfolgreich als Katalysatoren für die Reduktion von CO2 zu Kohlenmonoxid oder Methansäure eingesetzt. Es wäre wünschenswert, 2D metallorganische Netzwerke auf Cu-Oberflächen zu bilden, indem die Schicht durch die starken Carbenbindungen verankert wird. Dabei werden synergistische Effekte zwischen dem Cu-Katalysator und der metallorganischen Schicht erwartet. Graphen auf Übergangsmetallen wird zur Untersuchung der inhärenten katalytische Aktivität des metallorganischen Netzwerks als Träger verwendet werden. Diese Ideen werden durch die Kombination verschiedener Ultrahochvakuum- und elektrochemischer Methoden umgesetzt.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen