Verständnis der Kopplung von Stickstoff-Kohlenstoff-Bindungen bei der Elektrosynthese von N-C-basierten chemischen Rohstoffen - Eine systematische Studie über Porphyrin- und Phthalocyanin-basierte Katalysatoren

• Antragstellerin: Professorin Dr. Inez Weidinger
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Anorganische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 559380826

Die Elektrosynthese von N-C-basierten Basischemikalien wie Harnstoff oder Methylamid durch gekoppelte Elektrolyse von reichlich vorhandenen einfachen stickstoff- und kohlenstoffhaltigen Vorläufermolekülen hat das Potenzial, sich zu einer nachhaltigen Alternative zu den bisher verwendeten traditionellen chemischen Verfahren zu entwickeln. Allerdings gibt es derzeit kaum ein mechanistisches Verständnis dieser Reaktion, das es ermöglichen würde, die Eigenschaften geeigneter Elektrokatalysatoren gezielt zu verbessern und eine höhere Selektivität für ein bestimmtes Produkt zu erreichen. Aus diesem Grund soll im vorliegenden Projekt die Systematik dieser Kopplungsreaktion durch die Kombination elektrochemischer und schwingungsspektroskopischer Techniken untersucht werden. Als Katalysatoren werden Porphyrin- und Phthalocyanin-Komplexe verwendet, die auf Elektroden immobilisiert sind. Diese Molekülkomplexe eignen sich hervorragend für mechanistische Studien, da die chemische Umgebung des aktiven Zentrums sehr definiert eingestellt werden kann. Im vorliegenden Projekt soll eine systematische Untersuchung für die NCC-Kopplungsreaktion von Nitrat und CO2 als Ausgangsstoffe durchgeführt werden. Zum einen soll das zentrale Metallatom von molekularen Komplexen variiert werden. Zum anderen sollen diese Komplexe als molekulare Einheiten in zweidimensionalen metallorganischen Gerüstverbindungen eingesetzt werden. Hierbei soll der Einfluss eines zweiten Metalls in Bezug auf die N-C Kopplung analysiert werden. Schließlich sollen Porphyrin-Komplexe mit einer zweiten Koordinationssphäre getestet werden. Die elektrochemische Raman-Spektroskopie soll Informationen über die Struktur des Makrozyklus unter katalytischen Bedingungen liefern und die Bindung der C- und N-Substrate überwachen. Elektrochemische ATR-IR-Spektroskopie wird ergänzend eingesetzt, um den Einfluss funktioneller Liganden auf die Katalyse zu verstehen und eine detaillierte Untersuchung des CO-Zwischenprodukts zu ermöglichen. Zusammen mit den elektrochemischen Daten und der Produktanalyse wird es möglich sein, den Mechanismus der N-C-Kopplung besser zu verstehen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen