Neuartige Katalysatoren zur Verbesserung der Wasserspaltung
Das rapide Wachstum der Weltbevölkerung hat in den letzten Jahren zu einem erhöhten Energiebedarf geführt, während die Vorräte fossiler Brennstoffe allmählich schwinden. Bei der künstlichen Photosynthese wird Wasser mit Sonnenlicht in seine Bestandteile zerlegt, somit stellt sie eines der nachhaltigsten Verfahren dar, um unsere Abhängigkeit von Kohle zu senken. Um die künstliche Photosynthese im kommerziellen Maßstab zu verwirklichen, ist es entscheidend, stabile heterogene Katalysatoren zu entwickeln, welche die Wasseroxidation im Vergleich zu ihren homogenen Pendants schneller ablaufen zu lassen. Das EU-finanzierte Projekt "Encapsulated water oxidation catalysts" (EWOCS) war darauf ausgerichtet, neue verkapselte Wasseroxidationskatalysatoren (WOK) zu entwickeln, deren Eigenschaften den aktuellen Stand der Technik übertreffen. Durch Entwicklung und Funktionalisierung von Liganden konnten die aktiven Metallzentren in den WOK mithilfe dreier verschiedener Ansätze eingekapselt werden. Die Wissenschaftler erwarteten, die mit diesen Verfahren die Katalysatordegradation zu minimieren und die Stabilität zu erhöhen. Die Projektmitglieder synthetisierten zuerst neuartige Molekularkomplexe, indem sie die Katalysatoren in einen riesigen Makrozyklus eingliederten, um schließlich die Wasseroxidationsfähigkeit zu bewerten. Die zusätzlichen funktionellen Gruppen des makrozyklischen Katalysators erwiesen sich jedoch als weniger stabil als die Katalysatorliganden. Die Lebensdauer des Katalysators übersteig daher nicht die des ursprünglichen unverkapselten Katalysators. Zwei Katalysator-Photosensibilisator-Konjugate wurden ebenfalls synthetisiert. Dennoch führte eine Erhöhung der sterischen Hinderung um das aktive Zentrum des Katalysators herum nicht zu einer Verlängerung der Katalysedauer. Die neuen Molekularkomplexe verhielten sich genauso wie die nicht-funktionalisierten Katalysatoren. Eine weitere Strategie war, einen Pincer-Ligand zur Synthetisierung eines Rutheniumkomplexes einzusetzen, der einem bewährten WOK ähnelte. Die Wissenschaftler stellten fest, dass die zusätzliche Hinderung des Pincer-Liganden die Bindungsstelle blockierte, somit die Wasserkoordination verhinderte und die Katalyse vollständig inhibitierte. Im Allgemeinen erfüllten die EWOCS-Mitglieder ihr Versprechen, eine Reihe verkapselter WOK zu synthetisieren und zu bewerten. Jedoch konnten sie die Katalysatorlebensdauer mit den eingesetzten Strategien nicht erhöhen. Die Forschungsgemeinschaft könnte von den Erkenntnissen des Projekts profitieren, wenn Konstruktionsregeln für haltbare WOK ausgearbeitet werden sollen.
Schlüsselbegriffe
Wasserspaltung, künstliche Photosynthese, Molekularkomplexe, heterogene Katalysatoren, Wasseroxidationskatalysatoren
