Effiziente und Stabile Molekulare WOCs auf Aza-Arene Basis

In der heutigen Wissenschaft ist es eine der herausforderndste und anspruchsvollsten Aufgaben, neue Materialien zu entwickeln, mit denen man sauber und nachhaltig Energie aus reichlich vorhandenen und leicht zugänglichen Ressourcen gewinnen kann. Wasser und Licht bieten eine gute Möglichkeit um als Rohmaterialien in der künstliche Photosynthese eingesetzt zu werden, einem Prozess, in dem Wasserspaltung elektrochemisch zur Energiegewinnung genutzt wird. Ein großes Hindernis ist die Entwicklung von robusten und langlebigen Wasseroxidations-Katalysatoren (WOCs) die effizient molekularen Sauerstoff herstellen können. Arbeiten zielen auf die Entwicklung von homogenen Katalysator-Systemen ab, die bereitwillig molekularen Sauerstoff über einen definierten Mechanismus erzeugen können. Die Hauptherausforderung ist es, ein hochstabiles System zu entwickeln, dass man auf Anodenmaterial immobilisieren kann, um eine kontrollierte Wasserspaltung zu gewährleisten. Typische homogene Systeme leiden unter oxidativen Abbau der Liganden, der u.a. durch raue Reaktionsbedingungen hervorgerufen werden kann und zur Zersetzung der Komplexe führt. Durch den gezielten Einsatz von bestimmten Liganden kann man etliche Verbesserungen im Vergleich zu konventionellen Systemen erwarten. In diesem Zusammenhang bietet sich die Verwendung von Aza-Arenen als Liganden an, mit denen man, je nach Anzahl und Position der Stickstoffatome, multinukleare, makromolekulare Katalysatoren (lineare Polymere oder toroidale Strukturen) aufbauen kann. Primär wirkt sich die makromolekulare Struktur positive auf die thermodynamische Stabilität der Katalysatoren aus. Zusätzlich sind in toroidalen Strukturen die aktiven Zentren nach innen gerichtet. Die Löcher dieser Ringe fungieren als Größen-Diskriminator und erlauben es nur potentiellen Substrat-Molekülen für eine Umsetzung durch das Loch zu penetrieren. Außerdem werden potentielle (deaktivierende) Interferenzen zwischen Lösungsmittel- Molekül, Gegenion oder Unreinheiten mit dem Wasseroxidations-Katalysator vorgebeugt. Insgesamt kann durch die Geometrie des WOCs die katalytische Produktivität (TON) und die Wechselzahl (TOF) während der Sauerstoffproduktion verbessert werden. Das, im Zusammenhang mit der erhöhten Stabilität von makromolekularen Wasseroxidations Katalysatoren wirkt sich vorteilhalft auf eine Immobilisierung der Katalysatoren auf festem Trägermaterialien (Anoden, Photoanoden) aus, die anschließend in photoelektrochemischen Zellen eingebaut werden können um erfolgreich künstliche Photosynthese zu verrichten.