Ligand-induzierte heterogene Katalyse zur Steuerung der Chemoselektivität von Oberflächenreaktionen mit mehreren Reaktionspfaden: mechanistisches Verständnis mittels des Oberflächenchemie-Ansatzes.

• Antragstellerin: Professorin Dr. Swetlana Schauermann
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 415543392

Die Selektivität von Oberflächenreaktionen, die entlang unterschiedlicher Reaktionspfaden verlaufen können, hängt von den kleinen und schwer zu kontrollierenden Differenzen in den Aktivierungsbarrieren der konkurrierenden Pfade ab. Ein vielversprechender Ansatz zum Lösen dieses Problems besteht darin, eine spezifische Wechselwirkung zwischen dem Reaktanden und dem katalytisch aktiven Zentrum einzuführen, die chemische Umwandlungen in die gewünschte Richtung steuert. Diese Wechselwirkung kann durch Funktionalisierung der Oberfläche mit Liganden eigeführt werden, die über sterische Hinderung oder elektronische Effekte die gewünschte Reaktion fördert. Kürzlich wurden hochselektive Ligand-funktionalisierte Pulverkatalysatoren entwickelt, die ein neues Gebiet der Liganden-induzierten heterogenen Katalyse eröffnen. Das mikroskopische Verständnis der zugrundeliegenden Oberflächenprozesse fehlt jedoch noch weitgehend.Mit dem geplanten Forschungsvorhaben wollen wir ein atomistisches Verständnis der Liganden-induzierten heterogenen Katalyse an den mit organischen Verbindungen funktionalisierten Metalloberflächen erreichen. Der Fokus dieser Studie liegt auf der mikroskopischen Charakterisierung der geometrischen und chemischen Struktur der Liganden sowie auf der Untersuchung der molekularen Reaktionsmechanismen und -kinetik von komplexen Reaktionen an diesen funktionalisierten Grenzflächen.Wir werden eine einzigartige Kombination oberflächensensitiver Methoden an wohldefinierten funktionalisierten Modellkatalysatoren anwenden – sowohl an Metall-Einkristallen als auch an geträgerten Metall-Nanopartikeln – um die Grundlagen der Liganden-induzierten Katalyse auf atomarer Ebene zu untersuchen. Dazu wird eine Kombination von Rastertunnelmikroskopie, Infrarotspektroskopie und Molekularstrahlmethoden zum Einsatz kommen, die eine strukturelle Charakterisierung und chemische Identifizierung der Oberflächenspezies sowie kontrollierte kinetische Studien ermöglichen.Wir werden systematisch die chemische und geometrische Struktur der Ligandenlage verändern, um die sterische Hinderung und die elektronischen Effekte zu beeinflussen. Dabei werden die genauen Korrelationen zwischen diesen Eigenschaften der Ligandenlage und den Mechanismen und der Kinetik der Oberflächenreaktionen aufgestellt. Im Speziellen, werden die chemische Struktur und die Adsorptionsgeometrie der Reaktanden und Reaktionsintermediate sowie die Aktivität und Selektivität der Reaktionen am Beispiel der partiellen selektiven Hydrierung von mehrfach ungesättigten Carbonylverbindungen und Alkinen in Anwesenheit der Liganden eingehend untersucht.Die Kombination dieser state-of-the-art experimentellen Methoden wird zum ersten Mal in den Grundlagenstudien zur Liganden-induzierten Katalyse eingesetzt. Die atomistischen Einblicke in die zugrundeliegenden Elementarprozesse bergen ein großes Potenzial für das wissensbasierte Design der Oberflächen mit maßgeschneiderten katalytischen Eigenschaften.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen