Grenzfläche eröffnet Weg zu effizienten Katalysatoren

Enzyme dienen als Vorbild für die Entwicklung von synthetischen Katalysatoren mit hoher Effizienz. In vielen biologischen Prozessen ermöglichen Grenzflächen Enzymen, als Katalysatoren zu agieren. Dr. Giovanni Zamborlini und Prof. Mikro Cinchetti von der Fakultät Physik der TU Dortmund ist es in einer internationalen Forschungsgruppe gelungen, solch eine Grenzfläche zu konstruieren. An dieser können natürliche Prozesse modelliert und verstanden werden, um künftig zweidimensionale Katalysatoren mit hoher Effizienz und Selektivität zu entwickeln. Ihre Ergebnisse präsentieren sie in der neusten Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“.

Enzyme sind essentiell für nahezu sämtliche metabolische Prozesse in Zellen, bei denen Katalyse benötigt wird. Inspiriert von der Natur, können solche Enzyme als Bauplan für die Entwicklung neuer, synthetischer Katalysatoren mit hoher Effizienz dienen. Die Dortmunder Physiker*innen um Prof. Cinchetti interessieren sich vor allem für Grenzflächen, die zwischen Metallen und Molekülen gebildet werden, und die es Enzymen ermöglichen, als Katalysatoren zu agieren. Ein Beispiel dafür ist eine Porphyrin-Metall-Grenzfläche. Porphyrine sind Moleküle, die an lebenswichtigen Prozessen wie der Photosynthese oder dem Sauerstofftransport im menschlichen Blutkreislauf beteiligt sind.

Der Forschergruppe ist es nun gelungen, durch das Aufdampfen von Nickel-Porphyrinen auf einer Kupferoberfläche eine solch metallisch-organische Grenzfläche zu erschaffen. Die Nickel-Ionen im Zentrum der Moleküle bilden dabei eine wohlgeordnete Gitterstruktur aus. So ein 2D-Netwerk hat zwei wesentliche Vorteile. Die Nickel-Ionen mit identischen chemischen und physikalischen Eigenschaften, können als Einzelatom-Katalysatoren verwendet werden und sind dadurch besonders leistungsstark. Zudem entsteht durch die Struktur eine einheitliche Grenzfläche, bei welcher die katalytischen Eigenschaften sehr gleichmäßig verteilt sind.

Grenzfläche ermöglicht Zerfall von Stickstoffmonoxid

Anschließend testeten die Forscher*innen die Leistungsfähigkeit dieser entwickelten Grenzfläche, indem diese Stickstoffmonoxid (NO) ausgesetzt wurde. Bei Stickstoffmonoxid handelt es sich um ein giftiges und umweltverschmutzendes Gas, welches von Autos, LKW und anderen Fahrzeugen emittiert wird. Die Daten deuten darauf hin, dass die Grenzfläche durch eine chemische Reaktion (Disproportionierungsreaktion) den Zerfall von drei Stickstoffmonoxid-Molekülen in ein Distickstoffmonoxid (N2O)- und ein Stickstoffdioxid (NO2)-Molekül ermöglichen. Während ersteres nicht giftig ist und Anwendung in der Medizin als Anästhetikum und Schmerzmittel findet, wird letzteres vorwiegend in der Produktion von Düngemittel verwendet. Zudem konnte gezeigt werden, dass die Stickstoffdioxid-Moleküle nach der Reaktion zunächst an dem Nickel-Netzwerk verankert bleiben, jedoch durch nachträgliches Aufheizen des Systems entfernt werden können.

„Das entwickelte System stellt ein Beispiel für eine biomimetische Grenzfläche dar, an welcher natürliche Prozesse modelliert und verstanden werden können, um künftig weitere Klassen von zweidimensionalen Katalysatoren mit hoher Effizienz und Selektivität zu entwickeln“, sagt Dr. Giovanni Zamborlini, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Forschungsgruppe von Prof. Mirko Cinchetti. Diese Katalysatoren können in vielen verschiedenen Bereichen eingesetzt werden, beispielsweise in der Raffinierung von Petroleum oder in der Verarbeitung von Nahrungsmitteln.

Die Arbeit ist das Ergebnis einer internationalen Kooperation zwischen der Technischen Universität Dortmund, dem Forschungszentrum Jülich, der Universität Triest, der Universität Erlangen-Nürnberg und der Universität Graz.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Giovanni Zamborlini
giovanni.zamborlini@tu-dortmund.de

Originalpublikation:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202201916

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