Wegbereitung für das rationale Design aktiver Zentren für die Sauerstoffentwicklungsreaktion an 3d Übergangsmetalloxidkatalysatoren

• Antragsteller: Professor Dr. Karsten Reuter
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 399915593

Dieses Projekt fokussiert sich auf die Entwicklung und Anwendung neuer Methodik zur Untersuchung der Sauerstoffentwicklungsreaktion (engl. oxygen evolution reaction, OER), speziell des Zusammenhangs zwischen der Struktur (atomare Geometrie und Zusammensetzung) aktiver Zentren an 3D Übergangsmetalloxidkatalysatoren und deren Aktivität. Ein entsprechendes Verständnis würde es erlauben die Eigenschaften idealer Zentren mit höchster OER Aktivität zu identifizieren, ebenso wie den Reaktionsmechanismus mit dem sie dies erreichen. Dies gäbe eine klare Vorgabe für eine zukünftige experimentelle und computer-gestützte Suche nach verbesserten OER Katalysatoren. Das Verständnis dieser Struktur-Aktivitäts-Beziehung wird auf dem quantenchemischen Nivea erzielt. Periodische Dichtefunktionaltheorie (DFT) Berechnungen bestimmen die Energetik der Reaktionsintermediate und die Ratenkonstanten der einzelnen Reaktionsschritte. Diese Daten bilden dann die Grundlage für die Entwicklung eines kinetischen Modells zur Vorhersage des katalytischen Umsatzes und der raten-bestimmenden Schritte im katalytischen Zyklus. Die Berechnungen berücksichtigen dabei Solvatationseffekte auf dem Niveau impliziter Solvatationsmodelle und werden für neutrale wie geladene Zustände des aktiven Zentrums durchgeführt. Letzteres bedingt die Entwicklung einer Methode zur Berechnung freier Energien geladener aktiver Zentren innerhalb periodischer DFT. Obgleich im Kontext der Katalyse an fest-flüssig Grenzflächen häufig auftretend, gibt es bis dato noch keinen allgemein einsetzbaren und numerisch effizienten Ansatz zur Behandlung dieser Situation. Zur Untersuchung der elektronischen Struktur des aktiven Zentrums werden neue, sogenannte constraining methods eingesetzt und weiterentwickelt, mit dem Ziel die Variation der elektronischen Struktur mit dem Übergangsmetallzentrum zu analysieren und mit der katalytischen Aktivität in Bezug zu setzen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen