Substrat-entkoppelte 2D MOF für Einzelatomkatalyse

Katalysatoren sind wichtig, weil sie die für chemische Reaktionen benötigte Energie senken und so viele Reaktionen in Forschung und Industrie überhaupt erst ermöglichen. Oft enthalten die besten Katalysatoren seltene und teure Metalle wie Platin und Palladium. Im Bemühen um eine CO2-neutrale Zukunft werden diese Metalle in immer größeren Mengen benötigt, was sie wiederum teurer macht, zumal ihr Vorkommen den zukünftigen Bedarf nicht sättigen kann. Eine spannende Entwicklung in diesem Bereich ist die Erfindung von Einzelatom-Katalysatoren (EAKs). Diese Katalysatoren nutzen einzelne Atome dieser seltenen, teuren Metalle anstelle größerer Partikel. So könnte man den Bedarf an diesen seltenen Metallen erheblich reduzieren, was nachhaltiger und kosteneffektiver ist. Allerdings haben EAKs noch viele Herausforderungen zu bewältigen, bevor sie effektiv in realen Anwendungen eingesetzt werden können. Wissenschaftler arbeiten intensiv an im Labor hergestellten Katalysatoren, um die Prinzipien besser zu verstehen und die Katalysatoren verbessern zu können. Diese laborbasierten EAKs werden mit theoretischen Modellen verglichen, um sie effizienter und industriell nutzbar machen zu können. Eine dieser Herausforderung bei diesen Studien ist sicherzustellen, dass alle Einzelatome gleich sind, d.h. chemisch auf die gleiche Art und Weise reagieren. In vielen EAKs befinden sich Atome in unterschiedlichen Umgebungen, was ihr Verhalten untereinander erheblich verändert und den Vergleich mit der Theorie schwieriger macht. In diesem Zusammenhang leitet unser Projekt diese Forschung, indem wir metallorganische Gerüste (eng. Metal-Organic Frameworks, MOFs) verwenden. MOFs bestehen aus einzelnen Metallatomen, die durch organische Moleküle verbunden sind, und schaffen eine einheitliche Umgebung für jedes Atom. Diese Uniformität gewährleistet, dass sich alle Atome ähnlich verhalten. Indem wir verschiedene organische Moleküle wählen, um die Atome zu verbinden, können wir die Umgebung verändern und die Eigenschaften jedes Atoms anpassen. Obwohl diese Herangehensweise bekannt ist, muss sie mit vielen Methoden auf atomarer Ebene erst noch erforscht werden, insbesondere in Bezug auf Reaktivität und Katalyse. Ein einzigartiger Teil unserer Forschung ist die Verwendung von Graphenschichten als Basis für MOFs. Graphen ist ideal, weil es kaum mit anderen Substanzen reagiert, was es uns ermöglicht, unsere EAKs sehr genau isoliert zu studieren. Wir verwenden fortschrittliche Bildgebungstechniken, um die Einzelatome zu lokalisieren, und Spektroskopien, um die Effektivität dieser Katalysatoren zu messen. Mit diesen Techniken können wir unsere Katalysatoren direkt auf atomarer Ebene beobachten und anpassen, was neue Möglichkeiten zur Verbesserung der katalytischen Effizienz und Nachhaltigkeit eröffnet. Diese Forschung hilft dabei, den Weg für kosteneffektivere und umweltfreundlichere Methoden zur Nutzung von Katalysatoren zu ebnen, was für nachhaltige industrielle Praktiken entscheidend ist.