Grenzfläche er­öff­net Weg zu ef­fi­zi­en­ten Katalysatoren

Enzyme sind essentiell für nahezu sämtliche metabolische Pro­zes­se in Zellen, bei denen Katalyse benötigt wird. Inspiriert von der Natur, kön­nen solche Enzyme als Bauplan für die Ent­wick­lung neuer, synthetischer Katalysatoren mit hoher Effizienz dienen. Die Dort­mun­der Physiker*innen um Prof. Cinchetti interessieren sich vor allem für Grenzflächen, die zwi­schen Metallen und Molekülen gebildet wer­den, und die es Enzymen er­mög­li­chen, als Katalysatoren zu agieren. Ein Bei­spiel dafür ist eine Porphyrin-Metall-Grenzfläche. Porphyrine sind Mo­le­kü­le, die an lebenswichtigen Pro­zes­sen wie der Photosynthese oder dem Sauerstofftransport im mensch­li­chen Blutkreislauf be­tei­ligt sind.

Der Forschergruppe ist es nun ge­lungen, durch das Aufdampfen von Nickel-Porphyrinen auf einer Kupferoberfläche eine solch metallisch-or­ga­nische Grenzfläche zu erschaffen. Die Nickel-Ionen im Zen­trum der Mo­le­kü­le bilden dabei eine wohlgeordnete Gitterstruktur aus. So ein 2D-Netwerk hat zwei wesentliche Vorteile. Die Nickel-Ionen mit identischen che­mi­schen und phy­si­ka­lischen Ei­gen­schaf­ten, kön­nen als Einzelatom-Katalysatoren ver­wen­det wer­den und sind dadurch be­son­ders leistungsstark. Zu­dem ent­steht durch die Struk­tur eine einheitliche Grenzfläche, bei welcher die katalytischen Ei­gen­schaf­ten sehr gleichmäßig verteilt sind.

Grenzfläche er­mög­licht Zerfall von Stickstoffmonoxid

Anschließend testeten die For­sche­r*innen die Leis­tungs­fähig­keit dieser entwickelten Grenzfläche, indem diese Stickstoffmonoxid (NO) ausgesetzt wurde. Bei Stickstoffmonoxid handelt es sich um ein giftiges und umweltverschmutzendes Gas, welches von Autos, LKW und anderen Fahrzeugen emittiert wird.  Die Daten deuten darauf hin, dass die Grenzfläche durch eine che­mi­sche Reaktion (Disproportionierungsreaktion) den Zerfall von drei Stickstoffmonoxid-Molekülen in ein Distickstoffmonoxid (N2O)- und ein Stickstoffdioxid (NO2)-Molekül er­mög­li­chen. Während ersteres nicht giftig ist und An­wen­dung in der Medizin als Anästhetikum und Schmerzmittel findet, wird letzteres vor­wiegend in der Pro­duk­tion von Düngemittel ver­wen­det. Zu­dem konnte ge­zeigt wer­den, dass die Stickstoffdioxid-Mo­le­kü­le nach der Reaktion zu­nächst an dem Nickel-Netz­werk verankert bleiben, jedoch durch nachträgliches Aufheizen des Sys­tems entfernt wer­den kön­nen.

„Das ent­wi­ckel­te System stellt ein Bei­spiel für eine biomimetische Grenzfläche dar, an welcher na­tür­liche Pro­zes­se mo­del­liert und ver­stan­den wer­den kön­nen, um künftig wei­tere Klassen von zweidimensionalen Katalysatoren mit hoher Effizienz und Selektivität zu ent­wi­ckeln“, sagt Dr. Giovanni Zamborlini, wis­sen­schaft­licher Mit­ar­bei­ter in der Forschungs­gruppe von Prof. Mirko Cinchetti. Diese Katalysatoren kön­nen in vie­len ver­schie­de­nen Be­rei­chen eingesetzt wer­den, bei­spiels­wei­se in der Raffinierung von Petroleum oder in der Verarbeitung von Nahrungsmitteln.

Die Ar­beit ist das Ergebnis einer inter­natio­nalen Ko­ope­ra­ti­on zwi­schen der Technischen Uni­ver­si­tät Dort­mund, dem For­schungs­zen­trum Jülich, der Uni­ver­si­tät Triest, der Uni­ver­si­tät Erlangen-Nürnberg und der Uni­ver­si­tät Graz.

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