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Entwicklung und Anwendung von heterogenen POM-Katalysatoren

Polyoxometallate (POMs) sind Komplexverbindungen aus Sauerstoff und leichten Übergangsmetallen der 5. oder 6. Hauptgruppe in ihrer höchsten Oxidationsstufe. Zur Steigerung der chemischen und thermischen Stabilität können zudem verschiedene Heteroatome wie beispielsweise Phosphate oder Silicate in die Struktur integriert werden. Neben ihrer strukturellen Vielfalt zeichnen sich POMs besonders durch ihre besonderen physikalischen und chemischen Eigenschaften wie eine hohe Brønsted-Acidität, hohe Protonenmobilität, schnellen und reversiblen Multielektronentransfer, enorme Löslichkeit in polaren Lösungsmitteln und hohe thermische und oxidative Stabilität. Durch Einbringen verschiedener Übergangsmetalle und Anpassung der Kationen können die Eigenschaften der Strukturen individuell eingestellt und somit auf den Anwendungszweck ideal zugeschnitten werden.

POMs werden durch diese strukturelle Vielfalt, sowie ihre enorme Multifunktionalität vor allem in der homogenen Katalyse als effektive Säure- und Oxidationskatalysatoren eingesetzt. Der Einsatz von homogenen Katalysatoren bringt jedoch Schwierigkeiten, wie die Katalysatorabtrennung, sowie Katalysatorrezyklierung und auch die Produktaufbereitung mit sich. Zudem limitiert die geringe spezifische Oberfläche der reinen „bulk“ POMs die Anwendungsgebiete. Daher ist die Entwicklung von heterogenen POM-basierten Katalysatoren mit möglichst hoher spezifischer Oberfläche von großem Interesse. Neben einer vereinfachten Katalysatorabtrennung und Katalysatorrezyklierung soll so vor allem die Erweiterung des Anwendungsgebietes realisiert werden. Dabei steht besonders die Nutzung der einzigartigen katalytischen Eigenschaften von POMs in nicht-polaren Reaktionsmedien, sowie in Gasphasenreaktionen im Vordergrund.

Dazu stehen verschiedene Möglichkeiten zur Heterogenisierung zur Verfügung:

  • Imprägnierung auf einem porösen Trägermaterial
  • Chemische Immobilisierung mittels kovalenter Bindung an Linkermolekülen
  • Komplexierung mittels anorganischer oder organischer Kationen
  • Einkapselung in hochporöse Käfigstrukturen

In der Forschungsgruppe „Biomasse und nachhaltige Erzeugung von Plattformchemikalien“ beschäftigen wir uns mit der Entwicklung und Anwendung von maßgeschneiderten heterogenen POM-basierten Materialien für Flüssig- und Gasphasenprozesse.

Dieses Projekt wird von der FAU im Rahmen der sog. „Emerging-Talents Initiative (ETI)“ (2019/1_Tech_02) über einen Zeitraum von 12 Monaten zur Vorbereitung eines ERC Starting Grant Antrages gefördert.