Project

Green Chemistry; Solar Light; Hydrogen; Sustainability; CO2 conversion; Photocatalysis

Lead
Photokatalytische homogene Katalyse für umweltverträgliche industrielle Prozesse mit H2 als Energieträger und CO2 als C1 QuelleDas Treibhausgas CO2 ist in grosser Menge in der Atmosphäre enthalten oder wird konzentriert aus Kohlekraftwerken emittiert. Die Konversion von CO2 in C1 Bausteine oder Treibstoffe ist heute zwar möglich, hat aber eine negative CO2 Bilanz, da H2 aus Kohle oder Erdgas hergestellt wird. Dies zu ändern ist eine grosse Herausforderung der Wissenschaft und Inhalt dieses Forschungsprojektes.
Lay summary
Inhalt und Ziel    Um CO2 in Bausteinen zu „fixieren“ muss es aktiviert und reduziert oder direkt mit H2 (2 H+ und 2 e-) umgesetzt werden. Um diese mechanistisch schwierigen Reaktionen zu ermöglichen, entwickeln wir Katalysatoren mit Kobalt, Niob, Rhodium oder Rhenium. Ihr Design ist so, dass sie CO2 binden können. Parallel dazu synthetisieren wir Katalysatoren, welche H2O mit Elektronen zu H2 reduzieren. Die Energie für beide thermodynamisch schwierigen Prozesse „ernten“ wir aus Sonnenlicht über geeignete Photosensibilisatoren. Die Partner in SA werden in diesem stark interdisziplinären Projekt kinetische und mechanistische Untersuchungen beitragen und Katalysatoren mit Rh und Nb optimieren. Die Gruppe in ZH wird die Re und Co Katalysatoren nach einem grundsätzlich neuen Funktionalitätsansatz herstellen und mit dem Netzwerk LightChEC (www.lightcheck.uzh.ch) untersuchen. Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext Photokatalyse mit Substraten wie CO2 oder H2O ist die Grundlage für eine nachhaltige und CO2 neutrale Energieversorgung. Weltweit wird sehr viel in dieses Gebiet gesteckt, das nicht nur wissenschaftlich sondern auch gesellschaftlich von grösster Bedeutung ist.

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Last update: 18.01.2017

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Self-organised

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In this project, we propose to investigate two uphill reactions, which are of great relevance for sustainable production, ultimately of industrial compounds; the reduction of protons from water to H2 and the activation/reduction of atmospheric CO2 to CO. Both reactions are uphill and shall be driven by solar light, either in an electrocatalytic way with energy harvested in solar cells or directly in a photocatalytic assembly. Whereas both reactions are researched worldwide with great effort, we propose inhere a different approach by combining the different modalities via the rather uncommon scaffold, [Re(arene)2]+. Reports on intramolecular, di-functional assemblies exist, but are rare. The conjugation into an intramolecular assembly should help to overcome rate - and performance limiting reaction steps. The [Re(arene)2]+ is proposed for two reasons. First, it is of utmost (photo)chemical stability in water up to high temperatures and not sensitive at all towards air. Second, our concept of preparing catalyst-catalyst, catalyst-proton donor or catalyst-electron donor combinations leaves the two subunits different degrees of structural freedom, rotation and tilting, which allows their structurally unrestricted, functional interaction. The catalysts for CO2 activation/conversion are selected from groups of known activity but altered according to our specific needs, the proton reduction catalysts from basic architectures with Co, Ni and Fe in newly developed ligands. The procedure follows a stepwise approach; mechanistic and kinetic investigations in homogeneous solution of the isolated catalysts - bound to the scaffold and then combined with the second functionality. Key numbers to be elucidated are turn over numbers, turn over frequencies and long-term stability. The performance of the conjugates must be superior as compared to isolated, intermolecular mixtures. Our two groups are synergistically experienced in the fields; the SA group has extended background in the catalytic preparation of industrially relevant compounds including hydrocarbons and CO whereas the CH group is involved via a “university research priority project” on artificial photosynthesis in proton reduction. Syntheses of respective catalysts will be done at the two involved universities whereas the electro- and photocatalytic studies will be performed jointly at the appropriate institutions. The proposed studies are fundamental and do not aim at a device. Basic insights from these studies will however enable transfer of knowledge to a later and practical application.