TRR 234:
Lichtgetriebene molekulare Katalysatoren in hierarchisch strukturierten Materialien – Synthese und mechanistische Studien
Fachliche Zuordnung
Chemie
Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
Wärmetechnik/Verfahrenstechnik
Förderung
Förderung seit 2018
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 364549901
Der Transregio-Sonderforschungsbereich CATALIGHT befasst sich mit grundlegenden Herausforderungen der Materialentwicklung für die durch Sonnenlicht angetriebene produktive Katalyse. Inspiriert durch die Konstruktionsprinzipien der natürlichen Photosynthese, entwickelt CATALIGHT Materialinnovationen, die zu künstlichen Chloroplasten führen sollen. Um dieses Ziel zu erreichen, verwendet CATALIGHT einen Molekül-in-Matrix-Ansatz, bei dem molekulare Photosensibilisatoren und Katalysatoren in funktionelle weiche Materie eingebettet werden. Dies führt zu idealen Modellsystemen für Studien zur lichtgetriebenen Reaktivität, Stabilität, Degradation und Reparatur. CATALIGHT wird generell anwendbare Synthesestrategien für die Entwicklung molekularer Photosensibilisatoren und Katalysatoren entwickeln, wobei ein Schwerpunkt auf dem Ersatz herkömmlicher edelmetallbasierter Verbindungen durch nichtedelmetallbasierte Alternativen liegt. Zudem werden neue Synthesewege zu funktionellen Polymer-Matrices erarbeitet, welche die ortsspezifische Verankerung molekularer reaktiver Komponenten ermöglichen. CATALIGHT wird Molekül-Matrix-Wechselwirkungen und hierarchische Matrixstrukturierung nutzen, um synergistische Reaktivität und Stabilität zu ermöglichen. Lichtgetriebene reduktive und oxidative Katalysen werden durch Ladungstransfer-Matrices gekoppelt, um künstliche Photosynthese, z. B. für die komplette Wasserspaltung in H2 und O2 zu ermöglichen. Die Integration der vielversprechendsten Systeme in Durchfluss-Photoreaktoren ausgestattet mit Online-Analytik wird beispiellose Einblicke in deren Reaktivität unter lichtgesteuerten katalytischen Bedingungen ermöglichen. Experimentelle in situ/operando-Methoden werden mit theoretischen Studien kombiniert, um die photochemische Reaktivität über verschiedene Längen- und Zeitskalen hinweg zu rationalisieren. CATALIGHT erwartet, dass dieser umfassende mechanistische Ansatz zu einem tieferen Verständnis neuer - sogar unerwarteter - Phänomene führen wird, die sich aus Molekül-in-Matrix-Systemen ergeben. CATALIGHT geht weit über den aktuellen Stand der Technik hinaus, um neue Themen im Bereich der Komponenten-, Material- und Reaktorkonstruktion erforschen, die von aktiver molekularer Reparatur bis hin zu Stimulus-abhängiger Reaktivitätsregulierung und verbesserter katalytischer Leistung durch adaptive, dynamische Prozesssteuerung reichen. CATALIGHT wird zu neuen Paradigmen führen, welche die Grenzen zwischen molekülbasierter Reaktivität, bottom-up-Materialdesigns und top-down Reaktorintegration durchbrechen. Dies wird zu grundlegend neuen, wissensbasierten Konzepten für die lichtgesteuerte produktive Chemie in hybriden Materialien führen und neue Forschungsmöglichkeiten für Chemie, Biologie, Materialwissenschaft und Verfahrenstechnik eröffnen.
DFG-Verfahren
Transregios
Laufende Projekte
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A01 - Strategien für molekulare Reparatur und Selbstregulation in der lichtgetriebenen Wasserstoffkatalyse
(Teilprojektleiter
Dietzek-Ivansic, Benjamin
;
Rau, Sven
)
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A03 - Metallfreie Photosensibilisatoren und deren Anwendung als molekulare Chromophor-Katalysatorsysteme
(Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter
Peneva, Ph.D., Kalina
;
Rau, Sven
)
-
A04 - Kovelent gebundene Photosensibilisator-Katalysatordyaden für die Einschritt-Materialintegration
(Teilprojektleiter
Kupfer, Stephan
;
Rau, Sven
;
Streb, Carsten
)
-
A05 - Experimentelle und theoretische Studien über molekulare Molybdänsulfid-Wassererstoffentwicklungskatalysatoren
(Teilprojektleiter
Jacob, Timo
;
Streb, Carsten
)
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A06 - Organische Moleküle und Materialien für die edelmetallfreie und gekoppelte lichtgetriebene Katalyse
(Teilprojektleiterin
Esser, Birgit
)
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A07 - Zwei-Photonen Wasserspaltung für die Realisierung Gekoppelter Photokatalyse
(Teilprojektleiter
Schneidewind, Jacob
)
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A08 - Integration edelmetall-freier Katalysatoren in Photosensibilisator-Katalysator-Dyaden und funktionalisierte weiche Materie zur Realisierung von lichtgetriebener Katalyse
(Teilprojektleiterin
Weber, Birgit
)
-
B02 - Integration photoredoxaktiver Komplexe in redoxaktive Polymere zum lichtinduzierten Laden und Entladen durch zusätzliche integrierte molekulare Katalysatoren
(Teilprojektleiter
Rau, Sven
;
Schubert, Ulrich S.
)
-
B03 - “POMbranes” – Einbau katalytisch aktiver Polyoxometallate in integrale asymmetrische Blockcopolymermembranen
(Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter
Leopold, Kerstin
;
Schacher, Felix H.
;
Streb, Carsten
)
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B04 - Bioinspirierte photoaktive Janus-Membranen für die Umwandlung von Solarenergie in Energiereiche Moleküle
(Teilprojektleiterinnen
Weil, Tanja
;
Wächtler, Maria
)
-
B06 - Ionische Kohlenstoffnitrid-Polymere für lichtgetriebene Wasserspaltung und selektive Umwandlungen
(Teilprojektleiter
Beránek, Radim
;
Dietzek-Ivansic, Benjamin
;
Jacob, Timo
)
-
B07 - Kohlenstoff-Nanomembranen als 2D-Plattform für die Immobilisierung, den Einbau und die Untersuchung von Photosensibilisatoren und Katalysatoren
(Teilprojektleiter
von Delius, Max
;
Turchanin, Andrey
)
-
B08 - Kompartimentierung lichtinduzierter Reaktionen in DNA-Liposomen-Hybridstrukturen
(Teilprojektleiterinnen
Pannwitz, Andrea
;
Weil, Tanja
)
-
B09 - Photokatalytische molekulare Membranen nach der Langmuir-Blodgett-Technologie
(Teilprojektleiter
Presselt, Martin
;
Schubert, Ulrich S.
)
-
B10 - Modulation der photokatalytischen Eigenschaften von molekular funktionalisierten Kohlenstoffnitrid-Polymeren durch Funktionalisierung der Oberfläche und Porenstruktur-Anpassung
(Teilprojektleiter
Jacob, Timo
;
Oschatz, Ph.D., Martin
)
-
B11 - Photoaktive Nanofasern als Materialien für die lichtgetriebene Katalyse
(Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter
Anjass, Montaha
;
Dietzek-Ivansic, Benjamin
)
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C02 - In Operando Multispektroskopische Korrelationsanalyse elektronischer und struktureller Veränderungen während homogener und heterogener katalytischer Aktivität
(Teilprojektleiter
Mizaikoff, Boris
;
Popp, Jürgen
;
Ziegenbalg, Dirk
)
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C04 - Charakterisierung von 2D-Katalysatorgrenzflächen – Korrelation nanoskaliger elektrochemischer und struktureller Eigenschaften unter in situ/operando Bedingungen
(Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter
Deckert, Volker
;
Kaiser, Ute
;
Kranz, Christine
)
-
C05 - Multiskalen-Simulation lichtgetriebener katalytischer Prozesse in molekularen Katalysatoren eingebettet in Polymere
(Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter
Groß, Axel
;
Gräfe, Stefanie
)
-
C06 - Kontrolle lichtgetriebener katalytischer Prozesse in Matrizen weicher Materie
(Teilprojektleiter
Ziegenbalg, Dirk
)
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Z01 - Zentrale Administration
(Teilprojektleiter
Dietzek-Ivansic, Benjamin
;
Rau, Sven
)
-
Z02 - Zentrale Charakterisierung
(Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter
Kaiser, Ute
;
Schacher, Felix H.
;
Turchanin, Andrey
;
Wächtler, Maria
)
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Z03 - Integriertes Graduiertenkolleg für Forschung
(Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter
Pannwitz, Andrea
;
Peneva, Ph.D., Kalina
;
Schacher, Felix H.
;
Streb, Carsten
;
Ziegenbalg, Dirk
)
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Ö01 - Licht auf die Chemie Bildung werfen: Didaktische Rekonstruktion aktueller Forschung für schulische und außerschulische Bildung
(Teilprojektleiter
Wilke, Timm
)
Abgeschlossene Projekte