Abb. 2. Elektrochemische Reaktionen an Elektrodenoberflächen und REM-Bilder von Katalysatoren. Traditionell werden poröse Kohlenstoffe als Trägermaterialien für Metallkatalysatoren in der heterogenen Katalyse eingesetzt, da sie besonders hohe Oberflächen aufweisen und zudem unter den typischen Reaktionsbedingungen (hoher Druck, hohe Temperatur) noch stabil sind. In der AG Oschatz werden indes neuartige Konzepte zur Synthese von Katalysatoren entwickelt, die gänzlich auf die oftmals teuren Metalle verzichten können (Abb. 2). In der Gruppe werden insbesondere der Einfluss der Porengrößenverteilung sowie der Effekt von Heteroatomen (Stickstoff, Schwefel, Bor, Phosphor) auf die katalytische Aktivität untersucht. Ein Fokus liegt dabei auf der elektrochemischen Aktivierung von Stickstoff, eines sehr reaktionsträgen Gases, welches bis dato fast ausschließlich mittels des über 100 Jahre alten Haber-Bosch-Verfahrens chemisch nutzbar gemacht werden kann. Der große Nachteil dieses Prozesses ist der hohe Energiebedarf — die Haber-Bosch-Synthese verantwortet bis zu 2 % des weltweiten Energiekonsums. Ein Zugang zur Nutzbarmachung von Stickstoff — beispielsweise zur Ammoniaksynthese — unter Verwendung von erneuerbarer Energie ist dementsprechend ein anstrebenswertes Szenario. Die Forschung zur elektrochemischen Elektrokatalyse: Katalysatorentwicklung und Stickstoffreduktion Stickstoffreduktion (NRR) in der AG Oschatz widmet sich der Entwicklung neuartiger Designprinzipien, mit denen Stickstoff effizient an den Oberflächen der Katalysatoren aktiviert werden kann [4]. Zielstellung ist es dabei, Prinzipien aus der molekularen homogenen Katalyse auf nanostrukturierte Materialien zu übertragen. [4] Qin, Q., Oschatz, M. (2020): Overcoming Chemical Inertness under Ambient Conditions: A Critical View on Recent Developments in Ammonia Synthesis via Electrochemical N2 Reduction by Asking Five Questions. ChemElectroChem, DOI: 10.1002/celc.201901970. Untersuchung von Adsorptionsphänomen an Stickstoff-dotierten Kohlenstoffmaterialien Poröse Kohlenstoffmaterialien können derart maßgeschneidert werden, dass sie Poren mit Größen im Bereich der Durchmesser von Gasmolekülen haben. Die in der AG Oschatz synthetisierten Kohlenstoffe können aufgrund dieser Eigenschaft als sogenannte Molekularsiebe bei der Separation von Gasen wie Kohlenstoffdioxid und Stickstoff genutzt werden. Neben der Ausnutzung reiner Größeneffekte, kann auch die Wechselwirkung der Porenwand mit den zu adsorbierenden oder zu trennenden Spezies über attraktive chemische Wechselwirkungen zielgerichtet kontrolliert werden. Bringt man Heteroatome wie Stickstoff in die Porenwände ein, so werden diese polarer und es können spezifische Bindungsmotive für Zielmoleküle entstehen. Diese und andere Möglichkeiten werden genutzt, um aus stickstoffreichen Präkursoren (z. B. HAT-CN, siehe Abb. 3) maßgeschneiderte Adsorbentien zu synthetisieren [5], die nicht nur extrem oxidationsstabil sind, sondern auch herausragende Adsorptionseigenschaften — vergleichbar mit industriell etablierten Zeolithen — aufweisen [6]. [5] Walczak, R., Kurpil, B., Savateev, A., Heil, T., Schmidt, J., Qin, Q., Antonietti, M., Oschatz, M. (2018): Template- and Metal-Free Synthesis of Nitrogen-Rich Nanoporous „Noble“ Carbon Materials by Direct Pyrolysis of a Preorganized Hexaazatriphenylene Precursor. Angew. Chem. Int. Ed., DOI: 10.1002/anie.201804359. [6] Heske, J., Walczak, R., Epping, J. D., Youk, S., Sahoo, S. K., Antonietti, M., Kühne, T. D., Oschatz, M. (2021): When Water Becomes an Integral Part of Carbon – Combining Theory and Experiment to Understand the Zeolite-like Water Adsorption Properties of Porous C2N Materials. J. Mater. Chem. A, DOI: 10.1039/D1TA05122A. Abb. 3. Synthese von Stickstoff-dotierten Kohlenstoffmaterialien mit definierter C2N Struktur durch die Kondensation eines molekular vorstrukturierten Hexaazatriphenylen-hexacarbonitril Präkursor (HAT-CN). FORSCHUNG — 105
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