Synergie von Nicht-Thermischem Plasma und funktionalisierten Metall-Organischen Gerüstverbindungen: Eine Studie zur katalytischen CO2-Hydrierung

• Antragstellerin: Dr. Diletta Morelli Venturi, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 566210895

Die Hydrierung von CO2 bietet den Vorteil, dass der CO2-Gehalt in der Atmosphäre reduziert und gleichzeitig Chemikalien mit Mehrwert produziert werden, was für das Ziel von Netto-Null-Emissionen ein wichtiger Aspekt ist. Allerdings erfordert die CO2-Hydrierung aufgrund der thermodynamischen Stabilität von CO2 und den verschiedenen Hydrierungsprodukten aktive und selektive Katalysatoren. Metall-Organische Gerüstverbindungen (Metal Organic Frameworks, MOFs) werden seit ihrer Entdeckung als potenzielle Katalysatoren diskutiert, da sie eine außergewöhnliche Vielfalt der Strukturen und Funktionalitäten, eine einstellbare Porosität und gut definierte aktive Zentren aufweisen, insbesondere für die selektive Adsorption von CO2. Allerdings konnten diese Eigenschaften bisher nicht zur Katalyse der CO2-Hydrierung genutzt werden, da MOFs bei den erforderlichen Reaktionstemperaturen nicht ausreichend thermisch stabil sind. Durch die Anwendung von nicht-thermischen Plasmabedingungen (NTP) kann die Reaktionstemperatur erheblich gesenkt werden, was ein attraktives Anwendungsfeld für MOFs eröffnet. Die Kombination von MOF-Katalysatoren, dem CO2-Hydrierungsprozess und NTP-Bedingungen hat sich erst kürzlich als vielversprechende Strategie erwiesen. NTP ist ein vielversprechender Weg für die Elektrifizierung chemischer Prozesse und zeichnet sich durch das Vorhandensein reaktiver Spezies bereits bei niedrigen Temperaturen aus. Es bietet eine einzigartige Plattform für die Umwandlung dieser angeregten Spezies in Anwesenheit eines Katalysators, der unter Ausnutzung der oben erwähnten vorteilhaften Eigenschaften von MOFs entwickelt werden kann. In diesem Bereich gibt es jedoch noch erhebliche Herausforderungen: a) Die Stabilität von MOFs unter NTP-Bedingungen ist nach wie vor unzureichend untersucht, und es stehen nur wenige Informationen zur Verfügung. b) Studien, die systematisch verschiedene strukturelle Merkmale und Zusammensetzungen von MOFs als NTP-Katalysatoren vergleichen, sind nach wie vor selten, und es gibt noch keinen Leitfaden für die Katalysatorentwicklung. c) Das Fehlen von Fallberichten schränkt die Entwicklung eines umfassenden grundlegenden Verständnisses des MOF/NTP-Systems ein. Ziel des Projekts ist es, funktionalisierte MOFs auf der Basis von Al, Zr oder Ce einzusetzen, um CO2 mit anschließender Hydrierung in einer H2-NTP-Behandlung effektiv zu speichern. Die Trennung des Prozesses in zwei Schritte, die CO2-Adsorption und die Plasmabehandlung, vereinfacht den gesamten Prozess erheblich und ermöglicht eine gezielte Analyse der grundlegenden Prozesse auf atomarer/molekularer Ebene. Durch die systematische Untersuchung der Stabilität und Anwendbarkeit von strategisch konzipierten MOFs in katalytischen CO₂-Hydrierungsreaktionen unter NTP-Bedingungen werden wir Trends finden, die die Entwicklung von MOFs und NTP-Prozessen leiten und neue Möglichkeiten für künftige Anwendungen eröffnen werden.

• DFG-Verfahren: WBP Stelle