Wie die Spin-Kopplung die katalytische Aktivierung von Sauerstoff beinflusst
Ein Team am EPR4Energy-Joint lab von HZB und MPI CEC hat ein neues Verfahren der THz-EPR-Spektroskopie entwickelt, um die katalytische Aktivierung von molekularem Sauerstoff durch Kupferkomplexe zu untersuchen. © T. Lohmiller/HZB
Ein Team am EPR4Energy-Joint lab von HZB und MPI CEC hat ein neues Verfahren der THz-EPR-Spektroskopie entwickelt, um die katalytische Aktivierung von molekularem Sauerstoff durch Kupferkomplexe zu untersuchen. Die Methode erlaubt Einblicke in bisher nicht zugängliche Spin-Spin-Wechselwirkungen und die Funktion neuartiger katalytischer und magnetischer Materialien.
Molekularer Sauerstoff (O2) ist ein bevorzugtes Oxidationsmittel der Green Chemistry. Allerdings erfordert die Aktivierung von O2 und die Kontrolle seiner Reaktivität eine präzise Einstellung der Spinzustände in den reaktiven Zwischenprodukten. In der Natur wird dies durch Metalloenzyme erreicht, die O2 an Eisen- oder Kupferionen binden und Spin-Flip-Prozesse durch metallvermittelte Spin-Bahn-Kopplungen ermöglichen. Bei Dikupfer-Metalloproteinen des Typs III, die am Sauerstofftransport und an der Oxygenierung phenolischer Substrate beteiligt sind, war über den Weg, der nach der Bindung von Triplett-Sauerstoff zu einer Dikupfer-Peroxo-Schlüsselspezies mit stark stabilisiertem Singulett-Grundzustand führt, bisher nur wenig bekannt.
Durch ein ausgeklügeltes Ligandendesign ist es der Arbeitsgruppe um Prof. Franc Meyer an der Universität Göttingen nun gelungen eine Serie von Modellkomplexen zu isolieren, die das Anfangsstadium der Sauerstoffbindung an Dikupferstellen nachbilden und einen Triplett-Grundzustand aufweisen.
Ein Team am EPR4Energy-Joint lab von HZB und MPI CEC ergänzte diesen Durchbruch in der chemischen Synthese durch einen neuen Ansatz der THz-EPR-Spektroskopie. Diese Methode, die in der Gruppe von Alexander Schnegg am MPI CEC entwickelt wurde, wurde zum ersten Mal angewandt, um den funktionsbestimmenden antisymmetrischen Austausch in gekoppelten Dikupfer(II)-Komplexen zu untersuchen. Die neue Methode ermöglichte den Nachweis der Gesamtheit der Spinzustandsübergänge im System und im vorliegenden Fall die Identifikation von antisymmetrischen Austauschwechselwirkungen als effizientem Mischungsmechanismus für den Triplett-zu-Singlett-Übergang in biologisch relevanten Peroxodicopper(II)-Zwischenstufen. Thomas Lohmiller, einer der Erstautoren der Studie, erklärt: "Neben dem Erkenntnisgewinn über dieses wichtige System eröffnet unsere Methode die Möglichkeit, bisher nicht zugängliche Spin-Spin-Wechselwirkungen in einer Vielzahl neuartiger katalytischer und magnetischer Materialien zu untersuchen."
- Batterieforschung: Alterungsprozesse operando sichtbar gemachtLithium-Knopfzellen mit Elektroden aus Nickel-Mangan-Kobalt-Oxiden (NMC) sind sehr leistungsfähig. Doch mit der Zeit lässt die Kapazität leider nach. Nun konnte ein Team erstmals mit einem zerstörungsfreien Verfahren beobachten, wie sich die Elementzusammensetzung der einzelnen Schichten in einer Knopfzelle während der Ladezyklen verändert. An der Studie, die nun im Fachjournal Small erschienen ist, waren Teams der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB), der Universität Münster sowie Forschende der Forschungsgruppe SyncLab des HZB und des Applikationslabors BLiX der Technischen Universität Berlin beteiligt. Ein Teil der Messungen fand mit einem Instrument im BLiX-Labor statt, ein weiterer Teil an der Synchrotronquelle BESSY II.
- Neues Instrument bei BESSY II: Die OÆSE-Endstation in EMILAn BESSY II steht nun ein neues Instrument zur Untersuchung von Katalysatormaterialien, Batterieelektroden und anderen Energiesystemen zur Verfügung: die Operando Absorption and Emission Spectroscopy on EMIL (OÆSE) Endstation im Energy Materials In-situ Laboratory Berlin (EMIL). Ein Team um Raul Garcia-Diez und Marcus Bär hat die Leistungsfähigkeit des Instruments an elektrochemisch abgeschiedenem Kupfer demonstriert.
- Grüner Wasserstoff: Käfigstruktur verwandelt sich in effizienten KatalysatorClathrate zeichnen sich durch eine komplexe Käfigstruktur aus, die auch Platz für Gast-Ionen bietet. Nun hat ein Team erstmals untersucht, wie gut sich Clathrate als Katalysatoren für die elektrolytische Wasserstoffproduktion eignen. Das Ergebnis: Effizienz und Robustheit sind sogar besser als bei den aktuell genutzten Nickel-basierten Katalysatoren. Dafür fanden sie auch eine Begründung. Messungen an BESSY II zeigten, dass sich die Proben während der katalytischen Reaktion strukturell verändern: Aus der dreidimensionalen Käfigstruktur bilden sich ultradünne Nanoblätter, die maximalen Kontakt zu aktiven Katalysezentren ermöglichen. Die Studie ist in „Angewandte Chemie“ publiziert.