MOE-Fellowship

Helena Pletsch

Elektrokatalytische Epoxidierung von Alkenen mit Porphyrin-Metall-Komplexen in gepaarten Elektrolyseanwendungen

Der Wandel weg von fossilen Energieträgern, hin zu einer nachhaltigen Energieversorgung ist entscheidend, um die globale Erwärmung zum Schutz der Umwelt und der Zukunft der Menschheit einzudämmen. Unstetigkeit erneuerbarer Energiequellen wie Solar- und Windkraft erfordern allerdings Energiespeicherkonzepte, besonders in Form von grünem H₂ aus Elektrolyse. Trotz der hohen Effizienz moderner Elektrolyseure ist deren H₂–Produktion jedoch noch immer zu teuer. Ein wichtiger Grund dafür ist, dass O₂ als Nebenprodukt unverkäuflich ist, wodurch alle Prozesskosten allein durch den H₂-Verkauf gedeckt werden müssen. Diese Projektskizze beschreibt elektrochemische Sauerstoff-Atomtransfer-Katalyse (e-OAT) als vielseitigen Ansatz, um bei der Wasserelektrolyse die O₂ Entwicklung durch gewinnbringende Erzeugung von Epoxiden zu ersetzen. So werden in Paar-Elektrolyse durch Epoxid- und H₂ Erzeugung zwei wertschöpfende Produkte parallel hegestellt, was die Produktionskosten für H₂ drastisch senken kann. Entsprechende e-OAT-Reaktivität soll zunächst an molekularen Porphyrinkatalysatoren entwickelt, verstanden, und optimiert werden. Ein Kernaspekt werden Struktur-Reaktivitäts-Studien sein, um durch Modifikation der Porphyrinumgebung hohe Katalysatoraktivität bei niedrigen Überspannungen zu erreichen. Die Reaktivität optimierter Porphyrin-Katalysatoren wird dann auf poröse, porphyrinbasierte metallorgansiche Gerüstverbindungen (Porphyrin-MOFs) übertragen, um so prozessfreundliche heterogene Elektrokatalysatoren für gepaarte Elektrolyse zu erhalten. Dabei soll der Einfluss von Geometrie und Funktionalisierung unterschiedlicher MOF-Poren auf die Elektro-Epoxidierung gezielt untersucht werden.

Insbesondere, bisher noch unerreichte regio- und enantioselektive Elektro-Epoxidierung, welche durch MOF Elektrokatalysatoren erwartet wird, soll hier entwickelt werden. Abschließend ist geplant, die entwickelten MOF-Elektrokatalysatoren in einem Durchfluss-Elektrolyseur einzusetzen, um die tatsächliche Anwendbarkeit der entwickelten Elektro-Epoxidierung in Paar-Elektrolyse mit H₂-Produktion zu evaluieren.