Ein Werkzeug aus Licht - Friedrich-Alexander-Universität Erlangen ...

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Abb. 1: In Gegenwart eines redoxaktiven Titandioxid-Platinkomplexes wird der Wasserschadstoff Phenol durch Luftsauerstoff im diffusen Tageslicht zu Kohlendioxid und Wasser katalytisch abgebaut. Faszination Technik Horst Kisch Nachhaltige Wandler Redoxaktive Metallkomplexe – Prozesssteuerung durch Katalysatoren 18 uni.kurier.magzin 105/juni 2004 Metallkomplexe sind in belebter und unbelebter Natur allgegenwärtig. Redoxaktive Metallkomplexe spielen eine zentrale Rolle in den natürlichen Kreisläufen der Elemente und sind unverzichtbar für die Aufrechterhaltung aller Lebensvorgänge. Als homogene oder heterogene Katalysatoren aktivieren sie reaktionsträge Moleküle für selektive Umsetzungen unter minimalem Energieaufwand. Die dabei entstehenden Produkte reichen von Düngemitteln über Pharmaka und maßgeschneiderte Kunststoffe bis zu „intelligenten Werkstoffen“. Aber auch bei der Vermeidung und Entfernung von Schadstoffen aus Luft und Wasser spielen
Katalysatoren eine entscheidende Rolle. Aus diesen Gründen verbindet die Katalyse wie kein anderes Phänomen der Stoffumwandlung ökonomische Wertschöpfung mit dem Prinzip der Nachhaltigkeit. Die katalytische Aktivität eines redoxaktiven Metallkomplexes hängt im wesentlichen von zwei Faktoren ab: Dem Redoxzustand des Zentralmetalls und den elektronischen und sterischen Eigenschaften seiner Umgebung, den sogenannten Liganden. Der heute erreichte Stand des Wissens über Synthese, Struktur und Reaktivität von Metallkomplexen eröffnet die Möglichkeit, grundsätzliche Fragestellungen der Chemie von Metallkomplexen systemübergreifend zu erforschen und darüber hinaus Probleme von allgemeiner Tragweite zu lösen. Damit ergibt sich eine Zielsetzung, die für einen Sonderforschungsbereich (SFB) geradezu prädestiniert ist. Ließen sich die bei katalytischen Prozessen ablaufenden chemischen Elementarschritte durch die Struktur der beteiligten Metallkomplexe selektiv beeinflussen, wäre auch eine gezielte Steuerung dieser chemischen Prozesse möglich. Besondere Bedeutung hat eine solche gezielte Steuerung für jene Prozesse, bei denen kleine Moleküle wie N2, CH4, H2O, H2, O2 und CO2 durch redoxaktive Metallkomplexe erst aktiviert und anschließend entweder reduziert oder oxidiert werden, um z.B. Ammoniak, Methanol, Wasserstoff oder Kohlenstoffverbindungen zu liefern. Manche dieser Prozesse sind nicht nur verlust- und abfallfreie Synthesen, wichtiger noch ist, dass sie auf chemischem Wege aus nahezu unbegrenzt verfügbaren oder erneuerbaren Ausgangsstoffen Energie und Nahrung in potentiell beliebigem Umfang zugänglich machen. Hier lässt sich ein Szenario für die Lösung von Problemen entwerfen, die über chemische Fragestellungen weit hinausgehen. Die gezielte Steuerung dieser Prozesse würde nicht nur elementare Bedürfnisse der Menschheit wie Energie, Nahrung und Kleidung dauerhaft stillen, sondern auch den Idealfall sogenannten nachhaltigen Handelns darstellen, das kommende Generationen nicht mit schwer handhabbaren Hinterlassenschaften belastet. Ein unerschöpflicher Energieträger wäre Wasserstoff, wenn er mittels Sonnenlicht aus Wasser erzeugt werden könnte. Auch dieser Prozeß erfordert die Anwesenheit eines redoxaktiven Katalysators (Abb. 2). Obwohl dafür in der Grundlagenforschung schon vielver- Faszination Technik sprechende Ergebnisse vorliegen, ist noch kein technisch anwendbares Verfahren in Sicht. Einigen dieser hochgesteckten Ziele ist der seit 1. Juli 2001 laufende SFB 583 in seiner ersten Förderperiode einen wesentlichen Schritt nähergekommen. Es gelang eine Fokussierung der 16 Teilprojekte auf die einzelnen Elementarreaktionen, die bei der metallkomplexkatalysierten Redoxumwandlung kleiner Moleküle ablaufen. Diese Umwandlungen lassen sich in die Teilschritte der Aktivierung und des Ladungstransfers zerlegen. Der Ladungstransfer umfaßt dabei immer die Übertragung von Elektronen und häufig zusätzlich einen Ionen- bzw. Atomtransfer. Durch phantasiereiche Variation von Zentralmetall und Ligandensphäre ließen sich molekulare Architekturen realisieren, die detaillierte Einblicke in Struktur-Funktionsbeziehungen redoxaktiver Metallkomplexe gestatten. Die neuen Architekturen enthalten als Liganden der Natur nachempfundene Peptid- und Porphyrinderivate, aber auch neuartige Systeme wie Ketten aus Kohlenstoffatomen und elektronische Halbleiter wie Titandioxid. Einige dieser Funktionalitäten ermöglichen die stereochemisch selektive Addition von H2 an ungesättigte Verbindungen, andere die lichtinduzierte Aktivierung von O2 für den oxidativen Abbau von Schadstoffen aus Luft und Wasser (Abb. 1). Supermolekulare Architekturen mit mehreren Metallatomen Abb. 2: Kreislauf des Wasserstoffs beim Einsatz als Energieträger. 19 uni.kurier.magzin 105/juni 2004 wiederum zeigen neuartige magnetische Phänomene, die zum Kühlen von Molekülen verwendet werden können. Diese neuen Befunde werden durch Reaktivitätsstudien, kinetisch-mechanistische Untersuchungen, physikalische Messungen und theoretische Berechnungen, in Zusammenarbeit mit dem Computerchemiezentrum, quantitativ charakterisiert, um durch eine vollständige Beschreibung ein maximales Verständnis des Reaktionsablaufs zu erreichen. Ein derartiges Forschungsprogramm erfordert die intensive Zusammenarbeit zwischen anorganisch und organisch syntheseorientierten, physikochemischen, physikalischen und theoretischen Arbeitsgruppen. Der SFB 583 erfüllt diese Forderungen. Auf Grund seiner Zusammensetzung besitzt er eine genügende Breite, um gemeinsam sein hochgesteckte Ziel anstreben zu können: Die gezielte Reaktivitätssteuerung katalytischer Prozesse durch redoxaktive Metallkomplexe. Prof. Dr. Horst Kisch hat seit 1984 eine Professur für Anorganische Chemie am Institut für Anorganische Chemie der Universität Erlangen-Nürnberg. Er ist Sprecher des Sonderforschungsbereichs 583 „Redoxaktive Metallkomplexe“ und beteiligt sich am Graduiertenkolleg „Homogener und heterogener Elektronentransfer“.
Seite 1 und 2: uni.kurier.magazin 105/Juni 2004/30
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Seite 11 und 12: Mäntel für Nanoröhren Solch ein
Seite 13: Partikel ab. Wichtige Parameter sin
Seite 17 und 18: schiedlichen Modulationsformaten f
Seite 19: Faszination Technik Abb. 2: Qualit

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