Metallorganische Gerüstverbindungen helfen bei der Entwicklung effizienter Energieanwendungen
Bei metallorganischen Gerüstverbindungen handelt es sich um poröse Materialien, die durch Metallionen oder anorganische Cluster definiert sind, welche über starre organische Bindungen verknüpft sind. Aufgrund ihrer einzigartigen Oberflächen, ihrer Anpassungsfähigkeit und ihres modularen Aufbaus, der die Nachbildung wichtiger Eigenschaften von natürlichen Enzymen ermöglicht, haben diese Materialien das Potenzial, eine wichtige Rolle bei der Energiespeicherung und -umwandlung zu spielen. Die Herausforderung besteht jedoch darin, herauszufinden, wie metallorganische Gerüstverbindungen am besten für den Einsatz in nachhaltigen Energieanwendungen genutzt werden können – eine Herausforderung, der sich das EU-finanzierte Projekt Supramol (Towards Artificial Enzymes: Bio-inspired Oxidations in Photoactive Metal-Organic Frameworks) stellt. „Wir wollen robuste, poröse metallorganische Gerüstverbindungen entwickeln, die die Lichtabsorption als Mittel zur Einleitung des Elektronentransfers nutzen, der zur Aktivierung des katalytischen Prozesses erforderlich ist. Dabei stützen wir uns auf lichtsammelnde Baueinheiten“, sagt Wolfgang Schmitt, Hauptforscher und Professor für Chemie am Trinity College Dublin. Laut Schmitt ist das übergeordnete Ziel, einen Konzeptnachweis für die Entwicklung von photokatalytischen Systemen zu erbringen, die in der Lage sind, die hochgradig endergone H2O-Oxidationsreaktion zu katalysieren. „Dies wäre ein bedeutender Erfolg und ein wichtiger Schritt zur Umsetzung nachhaltiger, wasserstoffbasierter Energiekonzepte“, fügt er hinzu.
Mehrere wichtige Ergebnisse wurden erzielt
Obwohl die Arbeiten noch nicht abgeschlossen sind, hat das vom Europäischen Forschungsrat unterstützte Projekt bereits einige wichtige Ergebnisse erzielt. So konnten die Forschenden die Oxidation von H2O mit Hilfe einer biologisch inspirierten, auf Mangan basierenden Spezies katalysieren, die den strukturellen Merkmalen des natürlichen Photosystem-II (PS-II) ähnelt. PS-II findet sich in der Thylakoidmembran von Pflanzen, Algen und Cyanobakterien und ist der erste Proteinkomplex in den lichtabhängigen Reaktionen der sauerstoffhaltigen Photosynthese. „Dieser Ansatz könnte den Weg zu einem neuen Konzept für die Entwicklung wirksamer Katalysatoren für Technologien im Bereich der direkten Umwandlung von Sonnenenergie in Brennstoffe ebnen“, erklärt Schmitt. Im Rahmen des Projekts wurden auch hochporöse metallorganische Gerüstverbindungen gefertigt, bei denen die katalytisch aktiven Einheiten durch lichtsammelnde, Ruthenium-basierte Metalloliganden verbunden sind. „Bemerkenswert ist, dass sich das System elektrochemisch aus stark verdünnten Reaktantenlösungen synthetisieren und innerhalb von Minuten direkt auf der Oberfläche von Elektroden aufbauen lässt“, so Schmitt. Mit photophysikalischen Untersuchungen wurde bestätigt, dass die lichtsammelnden Eigenschaften der Ruthenium-Pyridyl-Metalloliganden in der metallorganischen Gerüstverbindung erhalten bleiben. „Diese Eigenschaft ist der Schlüssel zur Ermöglichung des schnellen Energie- und Elektronentransfers, der zur effizienten Katalyse der Wasseroxidationsreaktion oder anderer energiebezogener Transformationen erforderlich ist“, ergänzt Schmitt. Weitere wichtige Ergebnisse sind die Entdeckung eines synthetischen Ansatzes für kugelförmige molekulare Käfige mit großen Querschnittsdurchmessern und die Entdeckung von Materialien mit hoher Affinität für CO2-Gasmoleküle.
Anregung für neue kooperative Forschungsprojekte
Im Rahmen des Projekts konnten synthetische Verfahren entwickelt werden, mit denen sich eine Reihe von strukturell einwandfreien und hochfunktionalen Materialien herstellen lässt. „Einige dieser Materialien sind photoaktiv“, erklärt Schmitt. „Andere haben die Fähigkeit, innerhalb von Minuten synthetisiert zu werden, um zum Beispiel Elektroden direkt auf der Oberfläche zu bilden.“ Die Forschenden nutzen diese Verbindungen nun, um photoelektrokatalytische Geräte zu entwickeln, die für eine Vielzahl von photoelektrokatalytischen Redox-Transformationen eingesetzt werden können, darunter die Oxidation von Wasser, die Reduktion von CO2 sowie die Umwandlung organischer Reagenzien. „Die im Rahmen des Supramol-Projekts entwickelten Materialien werden neue kollaborative Forschungsprojekte anregen“, so Schmitt abschließend. „Dazu könnten nicht nur Untersuchungen zu neuen Struktur-Reaktivitäts-Beziehungen gehören, sondern auch von der Basis ausgehende Ansätze zu metallorganischen Gerüstverbindungen mit verbesserten physikalisch-chemischen Eigenschaften, die über die Katalyse von Wasseroxidation hinausgehen.“
Schlüsselbegriffe
Supramol, metallorganische Gerüstverbindungen, nachhaltige Energie, Metall, Materialien, Energiespeicher, katalytischer Prozess, photokatalytische Systeme, Wasserstoff
