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. Grenz­flächen, die zwischen Metallen und Molekülen gebildet werden, ermöglichen es Enzymen, 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.

Einer inter­nationalen Forscher­gruppe um die Physiker Giovanni Zamborlini und Mirko Cinchetti von der der TU Dortmund ist es jetzt gelungen, durch das Aufdampfen von Nickel-Porphyrinen auf einer Kupfer­ober­fläche eine solche metallisch-organische Grenzfläche zu erschaffen. Die Nickel-Ionen im Zentrum der Moleküle bilden dabei eine wohl­ge­ordnete Gitter­struktur aus. So ein 2D-Netzwerk 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.

Anschließend testeten die Forscher die Leistungs­fähigkeit dieser entwickelten Grenzfläche, indem diese Stickstoff­monoxid ausgesetzt wurde. Die Daten deuten darauf hin, dass die Grenzfläche durch eine Dispro­por­tio­nie­rungs­reaktion den Zerfall von drei Stickstoff­monoxid-Molekülen in ein Distickstoff­monoxid- und ein Stickstoff­dioxid-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 Zamborlini. Diese Kataly­satoren können in vielen verschiedenen Bereichen eingesetzt werden, beispiels­weise in der Raffi­nierung von Petroleum oder in der Verarbeitung von Nahrungs­mitteln.

TU Dortmund / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. Stredansky et al.: Disproportionation of Nitric Oxide at a Surface-Bound Nickel Porphyrinoid, Ang. Ch., online 10. März 2022; DOI: 10.1002/anie.202201916
• Cinchetti Group, FB Physik, Technische Universität Dortmund