Dr. Alexis Bordet - Multifunktionale Katalytische Systeme

Zu den in unserer Gruppe üblicherweise verwendeten molekularen Modifikatoren gehören kleine organische Moleküle, ionische Flüssigkeiten und Polymere.
Metallische Nanopartikel (z. B. Mn, Fe, Co, Ni, Ru, Rh und Bimetall) werden durch die Zersetzung von metallorganischen Vorläufern direkt in der MMS unter milden Bedingungen synthetisiert. Dieser metallorganische Ansatz bietet eine feine Kontrolle über die Größe der Nanopartikel, die Dispersion und im Falle der bimetallischen Nanopartikel auch über die Zusammensetzung. Darüber hinaus wird ein enger Kontakt zwischen den Metall-NPs und den molekularen Modifikatoren sichergestellt, was zu einer hohen Stabilität der NPs und starken synergistischen Effekten führt.

Relevante aktuelle Veröffentlichungen:

• Accounts: Bordet, A., Leitner, W. Metal Nanoparticles Immobilized on Molecularly Modified Surfaces: Versatile Catalytic Systems for Controlled Hydrogenation and Hydrogenolysis. Acc. Chem. Res. 2021, 54, 2144-2157 https://doi.org/10.1021/acs.accounts.1c00013
• D. Kalsi et al. One-Pot Multicomponent Synthesis of Allyl and Alkylamines Using a Catalytic System Composed of Ruthenium Nanoparticles on Copper N-Heterocyclic Carbene-Modified Silica. ACS Catal. 2022, 12, 14902-14910. https://doi.org/10.1021/acscatal.2c04044
• S. J. Louis Anandaraj et al. Catalytic Hydrogenation of CO₂ to Formate Using Ruthenium Nanoparticles Immobilized on Supported Ionic Liquid Phases. Small 2023, 2206806. https://doi.org/10.1002/smll.202206806
• N. Levin et al. Decarboxylation and Tandem Reduction/Decarboxylation Pathways to Substituted Phenols from Aromatic Carboxylic Acids using Bimetallic Nanoparticles on Supported Ionic Liquid Phases as Multifunctional Catalysts. J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 22845-22854. https://doi.org/10.1021/jacs.3c09290

Adaptive katalytische Systeme

Obwohl die entwickelten NPs@MMS-Katalysatoren hervorragende Eigenschaften für ihre spezifischen Aufgaben aufweisen, ist ihre Leistung in der Regel so optimiert, dass sie statisch bleibt (Abbildung 2a). Flexibilität und Anpassungsfähigkeit werden jedoch in Zukunft immer wichtiger, um der Dynamik alternativer Energieressourcen und Qualitätsschwankungen bei chemischen Rohstoffen gerecht zu werden und eine maßgeschneiderte und dezentrale Produktion zu ermöglichen.

In diesem Zusammenhang arbeiten wir an der Entwicklung adaptiver katalytischer Systeme (Abbildung 2b), die wir kürzlich als " in der Lage, sich als Antwort auf dynamische Veränderungen in der reaktiven Umgebung in verschiedene Leistungszustände einzustellen oder eingestellt zu werden. Die Anpassung erfolgt auf reversible, rapide und robuste Weise (R³-Regel)" definiert haben und die die Möglichkeit bieten, die Produktselektivität (d. h. die Anpassungsfähigkeit bei der Produktbildung) und/oder die katalytische Aktivität (d. h. die Anpassungsfähigkeit an eine intermittierende Stromversorgung) auf reversible, schnelle und robuste Weise anzupassen (R³-Regel).

Scientific perspective on the topic:

• A. Bordet and W. Leitner, Adaptive Catalytic Systems for Chemical Energy Conversion. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202301956. https://doi.org/10.1002/anie.202301956

Adaptivity bei der Produktbildung

Unsere Arbeit an der Entwicklung von Katalysatorsystemen mit adaptiver Selektivität beruht auf dem NPs@MMS-Katalysatordesign, bei dem wir spezifische Funktionalitäten in unsere molekularen Modifikatoren einführen, die an chemischen Reaktionen teilnehmen, die zur Modifizierung der aktiven Metallstellen verwendet werden und sich auf Zwischenprodukte und Übergangszustände des katalytischen Zyklus auswirken, wodurch bestimmte Wege geöffnet oder geschlossen werden können. Zu den jüngsten Fortschritten auf diesem Gebiet gehört beispielsweise die Verwendung von CO2 als molekularer Auslöser in Kombination mit aminfunktionalisierten multifunktionalen katalytischen Systemen.

Relevante aktuelle Veröffentlichungen:

• A. Bordet et al. Selectivity Control in Hydrogenation through Adaptive Catalysis using Ruthenium Nanoparticles on a CO₂-Responsive Support. Nat. Chem. 2021, 13, 916-922. https://doi.org/10.1038/s41557-021-00735-w
• Y. Zhang et al. Adaptive Catalysts for the Selective Hydrogenation of Bicyclic Heteroaromatics using Ruthenium Nanoparticles on a CO₂-Responsive Support. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202311427. https://doi.org/10.1002/anie.202311427

Adaptivity an die intermittierende Stromversorgung

Die Anpassungsfähigkeit an eine intermittierende Stromversorgung setzt die Möglichkeit voraus, die katalytische Aktivität sehr schnell und reversibel ein- und auszuschalten. Während die konventionelle Erwärmung ein relativ langsamer Prozess ist, bietet die magnetische Induktionserwärmung eine sofortige und hochgradig kontrollierte Möglichkeit, thermische Energie in genau definierten Bereichen zuzuführen. In unserer Gruppe entwickeln wir multifunktionale Katalysatoren, die aktive Materialien mit magnetischen Heizfähigkeiten verbinden, um von einer extrem lokalisierten, schnellen und energieeffizienten Katalysatorheizung zu profitieren (Abbildung 2). Zu diesem Zweck arbeiten wir mit magnetischen Nanopartikeln, die eine ausgezeichnete Heizleistung unter magnetischer Induktion (spezifische Absorptionsrate SAR) besitzen, und insbesondere mit Eisencarbid-Nanopartikeln (ICNPs), die wir entweder als Heizmittel für heterogene Katalysatoren (siehe Beispiel in Abbildung 2) oder direkt als magnetisch reagierende Trägermaterialien für katalytisch aktive Metall-Nanopartikel verwenden.