Elektrokatalytische Koordinationsnetzwerke
| Konsortium: | |
| Prof. Dr. Stefan Kaskel, Dresden Technische Universität Dresden Anorganische Chemie I | |
| Prof. Dr. Xinliang Feng, Dresden Technische Universität Dresden Molekulare Funktionsmaterialien | |
| Prof. Dr. Eike Brunner, Dresden Technische Universität Dresden Fakultät für Chemie und Lebensmittelchemie, Lehrstuhl für Bioanalytische Chemie | |
| Projekt: | Elektrokatalytische Koordinationsnetzwerke |
| Zusammenfassung: | 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 Trennung von Molekülen in ihren Poren. Die in der ersten Förderphase entwickelten PCNs weisen hohe Aktivitäten und Selektivitäten in der Elektrokatalyse auf, jedoch zeigen die noch geringe elektrische Leitfähigkeit und Instabilität mancher CNs in wässrigen Elektrolyten Grenzen auf, welche die Erforschung neuer PCN-Elektrokatalysatoren als dringend notwendig erscheinen lassen. 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 elektrokatalytische Reduktion von Treibhausgasen wie CO2 (CO2RR) und die Umwandlung in wertvolle Energieträger wie Methanol oder Methan sind vielversprechende Ziele. Die Elektroreduktion von N2 (NRR) ist ein visionäres Ziel, welches entscheidend zur Verringerung des Energiebedarfs für die Düngemittelproduktion beitragen könnte. Darüber hinaus erscheinen hochselektive Koordinationsnetzwerke vielversprechend für die Herstellung von Feinchemikalien wie z.B. die selektive Oxidation von Polyolen als Nebenprodukte der Biomasseverarbeitung. Im vorliegenden Vorhaben soll die nächste Generation elektrisch leitfähiger Koordinationsnetzwerke für die Elektrokatalyse entwickelt werden, wobei das Koordinationsnetzwerk die Produktselektivität erhöhen soll. Der notwendige Elektronentransfer zum Substrat soll dabei entweder I) durch das Koordinationsnetzwerk selbst oder II) durch ein katalytisch aktives Nanomaterial 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 zukunftsweisender in situ-Charakterisierungstechniken bis hin zur Demonstration der avisierten Funktionalität als Elektrokatalysator in den Modellreaktionen der CO2- und N2-Reduktion sowie der Elektrooxidation von Polyolen für die Produktion von Feinchemikalien. |
| Publikationen: | |
| R. Dong, Z. Zheng, D. C. Tranca, J. Zhang, N. Chandrasekhar, S. Liu, X. Zhuang, G. Seifert, X. Feng “Immobilizing Molecular Metal Dithiolene–Diamine Complexes on 2D Metal–Organic Frameworks for Electrocatalytic H2 Production” Chem. Eur. J. 2017, 23, 2255-2260 DOI: 10.1002/chem.201605337 | |
| L. Borchardt, Q.-L. Zhu, M. E Casco, R. Berger, X. Zhuang, S. Kaskel, X. Feng, Q. Xu “Toward a molecular design of porous carbon materials” Mater. Today 2017, 20, 592-610 DOI: 10.1016/j.mattod.2017.06.002 | |
| W. Ju, A. Bagger, G.-P. Hao, A. S. Varela, I. Sinev, V. Bon, B. Roldan Cuenya, S. Kaskel, J. Rossmeisl, P. Strasser “Understanding activity and selectivity of metal-nitrogen-doped carbon catalysts for electrochemical reduction of CO2” Nat. Commun. 2017, 8, 944 DOI: 10.1038/s41467-017-01035-z | |
| R. Dong, P. Han, H. Arora, M. Ballabio, M. Karakus, Z. Zhang, C. Shekhar, P. Adler, P. S. Petkov, A. Erbe, S. C. B. Mannsfeld, C. Felser, T. Heine, M. Bonn, X. Feng, E. Canovas “High-Mobility Band-Like Charge Transport in a Semiconducting Two-Dimensional Metal–Organic Framework” Nat. Mater. 2018, 17, 1027-1032 DOI: 10.1038/s41563-018-0189-z | |
| G. Chen, J. Zhang, F. Wang, L. Wang, Z. Liao, E. Zschech, K. Müllen, X. Feng “Cobalt-Based Metal–Organic Framework Nanoarrays as Bifunctional Oxygen Electrocatalysts for Rechargeable Zn-Air Batteries” Chem. Eur. J. 2018, 24, 18413-18418 DOI: 10.1002/chem.201804339 | |
| H. Bunzen, F. Kolbe, A. Kalytta-Mewes, G. Sastre, E. Brunner, D. Volkmer “Achieving large volumetric gas storage capacity in metal-organic frameworks by kinetic trapping: A case study of xenon loading in MFU-4” J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 10191-10197 DOI: 10.1021/jacs.8b04582 | |
| J. Zhang, G. Chen, K. Müllen, X. Feng „Carbon-Rich Nanomaterials: Fascinating Hydrogen and Oxygen Electrocatalysts” Adv. Mater. 2018, 30, 1800528 DOI: 10.1002/adma.201800528 | |
| R. Dong, Z. Zhang, D. C. Tranca, S. Zhou, M. Wang, P. Adler, Z. Liao, F. Liu, Y. Sun, W. Shi, Z. Zhang, E. Zschech, S. C. B. Mannsfeld, C. Felser, X. Feng “A coronene-based semiconducting two-dimensional metal-organic framework with ferromagnetic behavior” Nat. Commun. 2018, 9, 2637 DOI: 10.1038/s41467-018-05141-4 | |
| J. B. Richter, C. Eßbach, I. Senkovska, S. Kaskel, E. Brunner “Quantitative in situ 13C NMR studies of the electro-catalytic oxidation of ethanol” Chem. Commun. 2019, 55, 6042-6045 DOI: 10.1039/C9CC02660F | |
| C. Eßbach, I. Senkovska, T. Unmüssig, A. Fischer, S. Kaskel “Selective alcohol electrooxidation by ZIF-8 functionalized Pt/carbon catalyst” ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 20915-20922 DOI: 10.1021/acsami.9b06122 | |
| S. Xu, G. Wang, B. P. Biswal, M. Addicoat, S. Paasch, W. Sheng, X. Zhuang, E. Brunner, T. Heine, R. Berger, X. Feng “A Nitrogen-Rich 2D sp2-Carbon-Linked Conjugated Polymer Framework as a High-Performance Cathode for Lithium-Ion Batteries” Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 849-853 DOI: 10.1002/anie.201812685 | |
| C. Yang, R. Dong, M. Wang, P. S. Petkov, Z. Zhang, M. Wang, P. Han, M. Ballabio, S. A. Bräuninger, Z. Liao, J. Zhang, F. Schwotzer, E. Zschech, H.-H. Klauss, E. Cánovas, S. Kaskel, M. Bonn, S. Zhou, T. Heine, X. Feng “A semiconducting layered metal-organic framework magnet” Nat. Commun. 2019, 10, 3260 DOI: 10.1038/s41467-019-11267-w | |
| H. Zhong, K. Hoang Ly, M. Wang, Y.Krupskaya, X. Han, J. Zhang, J. Zhang, V.Kataev, B. Büchner, I.M. Weidinger, S. Kaskel, P. Liu, M. Chen, R. Dong , X. Feng “Phthalocyanine-based layered two-Dimensional conjugated metal-organic framework as highly efficient electrocatalyst for oxygen reduction reaction” Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 10677-10682 DOI: 10.1002/anie.201907002 | |
| M. Wang, M. Ballabio, M. Wang, H.-H. Lin, B. P. Biswal, X. Han, S. Paasch, E. Brunner, P. Liu, M. Chen, M. Bonn, T. Heine, S. Zhou, E. Cánovas, R. Dong, X. Feng “Unveiling electronic properties in metal–phthalocyanine-based pyrazine-linked conjugated two-dimensional covalent organic frameworks” J. Am. Chem. Soc 2019, 141, 16810-16816 DOI: 10.1021/jacs.9b07644 | |
Allendorf, M. D.; Dong, R.; Feng, X.; Kaskel, S.; Matoga, D.; Stavila, V "Electronic Devices Using Open Framework Materials" Chem. Rev. 2020, 120 (16), 8581-8640 | |
Zhong, H.; Ghorbani-Asl, M.; Ly, K. H.; Zhang, J.; Ge, J.; Wang, M.; Liao, Z.; Makarov, D.; Zschech, E.; Brunner, E.; Weidinger, I. M.; Zhang, J.; Krasheninnikov, A. V.; Kaskel, S.; Dong, R.; Feng, X "Synergistic electroreduction of carbon dioxide to carbon monoxide on bimetallic layered conjugated metal-organic frameworks" Nat. Commun. 2020, 11 (1), 1409 | |
Fritzke, J. B.; Eßbach, C.; Wollmann, P.; Khan, A. H.; Senkovska, I.; Weidinger, I. M.; Kaskel, S.; Brunner, E "The Role of Metal–Organic Frameworks in Moderating Platinum-Based Ethanol Electrooxidation Catalysts" J. Phys. Chem. C 2021, 125 (26), 14263-14274 | |
Khan, A. H.; Salout, S. A.; Shupletsov, L.; De, A.; Senkovska, I.; Kaskel, S.; Brunner, E "Solid-state NMR insights into alcohol adsorption by metal–organic frameworks: adsorption state, selectivity, and adsorption-induced phase transitions" Chem. Commun. 2022, 58 (28), 4492-4495 DOI: 10.1039/D2CC00638C | |
Luo, Y.; Shupletsov, L.; Ortega Vega, M. R.; Gutiérrez-Serpa, A.; Khan, A. H.; Brunner, E.; Senkovska, I.; Kaskel, S" "Integration of Triphenylene-Based Conductive Metal–Organic Frameworks into Carbon Nanotube Electrodes for Boosting Nonenzymatic Glucose Sensing" ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15 (44), 51435-51443 |