Umsetzung der Naturkraft in direkte Alkohol-Brennstoffzellen

Das Ziel dieses Projekts ist es mit einfachen Alkoholen elektrische Energie zu erzeugen. Dabei wird das Konzept von Brennstoffzellen genutzt, welche die chemische Energie von Wasserstoff in elektrische umwandelt. Aufgrund der sehr geringen Größe der Wasserstoffmoleküle ist die Lagerung oftmals schwierig, weil diese auch aus sehr dichten Behältern mit der Zeit hinaus diffundieren und verloren gehen. Des Weiteren werden meistens sehr teure Edelmetalle wie Platin oder Palladium als Katalysatoren benötigt, welche erst die Umwandlung von Wasserstoff zu Wasser und elektrischen Strom ermöglichen. Anstatt direkt Wasserstoff in die Brennstoffzelle einzuleiten können auch Alkohole als Treibstoff verwendet werden, die dann ihren gebundenen Wasserstoff freigeben. Alkohole sind exzellente chemische und nachhaltige Wasserstoffspeicher, vor allem Methanol da dieser preiswert ist und keinen Einfluss auf die Nahrungskette/Landwirtschaft hat. Hydrogenase-Enzyme sind Natur Katalysatoren und die effizientesten biologischen Systeme für die gegenseitige Umwandlung von Alkoholen und Wasserstoff. Enzyme sind Makromoleküle bei denen die Transformation chemischer Substanzen an so genannten aktiven Zentren (kleine definierte Flächen) stattfindet. Deshalb wird im Rahmen dieses Projektes daran gearbeitet metallorganische Verbindungen zu synthetisieren, welche die Eigenschaften der aktiven Zentren solcher Hydrogenase Enzyme besitzen. Diese metallorganischen Komplexe bestehen aus zwei Metallatomen, die von einem organischen Grundgerüst stabilisiert werden. Dabei wird untersucht, wie sich unterschiedliche modifizierte organische Grundgerüste auf die Eigenschaften der Metallatome auswirken. Diese genau definierten künstlichen Hydrogenase Verbindungen werden auf geeignete Trägermaterialien aufgetragen und auf ihre Aktivität für die Umwandlung von Alkoholen zu Wasserstoff sowie in weiterer Folge zu Wasser und elektrischen Strom untersucht. Dies ist eine innovative Möglichkeit die chemischen Eigenschaften von Hydrogenase-Enzymen in synthetisierten metallorganischen Komplexen zu nutzen und diese als Elektrokatalysatoren für direkte Alkohol-Brennstoffzellen einzusetzen. Hierbei wäre jedes einzelne Metallatom an der Transformation von Alkoholen zu elektrischer Energie beteiligt, wodurch die Menge an (Edel)metallen signifikant reduziert werden könnte. Des Weiteren bringt das Design solcher genau definierten molekularen Katalysatoren (= künstliche Hydrogenase Verbindungen) eine bessere Selektivität und Reaktivitätskontrolle. Ebenso werden fundamentale Reaktionsschritte solch katalytischer Prozesse untersucht, um ein besseres Verständnis für diese zu entwickeln. Zusammengefasst: Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung eines grundlegend neuen Ansatzes zur nachhaltigen Energieerzeugung mit sogenannten metallorganischen Brennstoffzellen. Dadurch nimmt das Projekt eine fundamentale Rolle auf dem Weg zu einer klimaneutralen Energiewirtschaft ein, insbesondere im Bereich der Mobilität.

Enzyme sind Natur Katalysatoren und die effizientesten biologischen Systeme bei denen die Transformation chemischer Substanzen an so genannten aktiven Zentren (kleine definierte Flächen) stattfindet. Nachbauen der aktiven Zentren in Form von metallorganischen Verbindungen, welche ähnliche Eigenschaften besitzen, sind von großem Interesse. Diese metallorganischen Komplexe bestehen oft aus zwei Metallatomen, die von einem organischen Grundgerüst stabilisiert werden. Die chemischen Eigenschaften von Hydrogenase-Enzymen in synthetisierten metallorganischen Komplexen zu nutzen und diese als Elektrokatalysatoren für direkte Alkohol-Brennstoffzellen einzusetzen ist von entscheidender Bedeutung. Hierbei wäre jedes einzelne Metallatom an der Transformation von Alkoholen zu elektrischer Energie beteiligt, wodurch die Menge an (Edel)metallen signifikant reduziert werden würde. In diesem Projekt habe ich mehrere mononukleare und binukleare Ru und Cu Komplexe synthetisiert. Diese konnten vollständig charakterisiert und auf deren Reaktivität untersucht werden. Der zweikernige Ru-Olefin-Komplex ist nicht symmetrisch durch einen 1,4-Bis(5H-dibenzo[a,d]cyclohepten-5- yl)-1,4-diazabuta-1,3-dien (trop2dad)-Ligand verbrückt. Seine Struktur lässt sich am besten beschreiben mit einem gefalteten Ruthenadiazacyclopentadienid, dass eine 5 Koordination an dem zweiten Rutheniumzentrum durchläuft. Dieser zentrale fünf-Ring wird aus einem Ruthenium und einem trop2dad2-Enediamido Liganden gebildet. Dieser zweikernigen Ruthenium Komplex ist ein aktiver Katalysator für die Dehydrierung von Ammoniak-Boran zu selektiv verlängerte polykondensierte Borazinringe, vorwiegend BN Hexabenzocoronen (Chem. Commun., 2024, 60, 885-888). Ebenso endeckten wir das ein Bereits bekannter binukleare Rh/Rh Komplex als homogener Katalysator für die selektive Umwandlung von Ammoniak-Boran zu Borazin verwendet werden kann (Dalton Trans., 2024, 53, 14212-14218). Im Rahmen dieses Projektes wurden bemerkenswerte bi-nukleare Kupfer Olefin Komplexe synthetisiert. Diese weisen eine ungewöhnliche überbrückende Koordination des Phosphanliganden zwischen beiden Kupferzentren auf. Der Bindungsabstand der beiden Kupfer Atome ist mit 2.43 Å beachtenswert gering. Katalytische aktivität zeigten die beschriebenen Komplexe Aktivität für die azide-alkyne Cycloaddition.