Elektrokatalytische Koordinationsnetzwerke
Laufzeit: Juli 2016 - Juni 2019
Schwerpunktprogramm 1928 - Koordinationsnetzwerke als Bausteine für Funktionssysteme
Poröse Koordinationsnetzwerke (PCNs, engl. Porous Coordination Networks) sind ideale Kandidaten für selektive elektrokatalytische Umwandlungen, da katalytisch aktive Zentren bereits als Übergangsmetall-Knoten im Netzwerk vorliegen oder durch die nachträgliche Funktionalisierung durch redoxaktive Gruppen generiert werden können. Gleichzeitig ermöglichen sie die hochselektive adsorptive Anreicherung von Molekülen in ihren Poren.
Ein Grund für die geringe Anzahl an Veröffentlichungen zum Thema PCNs als Elektrokatalysatoren ist die fehlende elektrische Leitfähigkeit vieler etablierter Koordinationsnetzwerke. Zudem erschweren die limitierte Datenbasis zur Flüssigphasenadsorption und die Instabilität einiger Koordinationsnetzwerke den systematischen Fortschritt in diesem Arbeitsgebiet. Eine technische Herausforderung ist zudem das Prozessieren dieser Materialien und die Integration in Elektroden, was eine Voraussetzung für die Generierung hocheffizienter Katalysatoren darstellt.
Die Elektrokatalyse für die Herstellung wertvoller Zwischenprodukte stellt ein enormes Potenzial für die Nutzung kostengünstiger elektrischer Energie dar, welche aus der zunehmenden Nutzung stark fluktuierenden regenerativen Energietechnologien resultiert. Die Reduktion von Treibhausgasen wie CO2 und die Umwandlung in wertvolle Energieträger wie Methanol oder Methan sind vielversprechende Ziele. Darüber hinaus erscheinen hochselektive Koordinationsnetzwerke vielversprechend für die Herstellung von Feinchemikalien wie z.B. die selektive Oxidation von Alkoholen aus Fermentationsprozessen.
Das vorliegende Vorhaben fokussiert sich auf die Herstellung von elektrisch leitfähigen Koordinationsnetzwerken für die Elektrokatalyse, wobei das Koordinationsnetzwerk die Substratkonzentration in räumlicher Nähe zum aktiven Zentrum durch selektive Adsorption anreichern soll. Der notwendige Elektronentransfer zum Substrat soll dabei entweder I) durch das Koordinationsnetzwerk selbst oder II) durch ein katalytisch aktives Nanomaterial (Nanopartikel, Graphenoberfläche o.ä.) in einem Komposit erreicht werden. In einer interdisziplinären Herangehensweise wird das Vorhaben die gesamte Entwicklungskette abbilden, von der Konzeption und Synthese der elektrisch leitfähigen Koordinationsnetzwerke, der Entwicklung notwendiger Prozess- und Charakterisierungstechniken bis hin zur Demonstration der avisierten Funktionalität als Elektrokatalysator in den Modellreaktionen der kathodischen Wasserstoffentwicklung, der CO2–Reduktion sowie der Elektrooxidation von Alkoholen für die Produktion von Feinchemikalien.
