Die Entwicklung von Katalysatoren, die elektrochemische Energie effizient in nachhaltige Brennstoffe wie H2 umwandeln können, stellt ein kritisches Hindernis dar, welches überwunden werden muss, um fossile Brennstoffe durch umweltfreundliche Alternativen zu ersetzen. Die Katalysatoren der Natur für die Wasserstoffumwandlung, Enzyme, die als Hydrogenasen bekannt sind, weisen einen beispiellosen Aktivitätsgrad auf; trotz weltweiter Bemühungen wurde bisher noch kein nachhaltiger, synthetischer Katalysator entwickelt, der in Geschwindigkeit und Effizienz mit den natürlichen Hydrogenasen vergleichbar ist. Jedoch hängt die H2-Entwicklung durch Mikroorganismen nicht nur von den Hydrogenasen ab, sondern auch von den nachgeschalteten Wechselwirkungen dieser Enzyme mit anderen zellulären Komponenten, was die praktische Anwendung der natürlichen Systeme einschränkt. Jahrzehntelange Studien über Hydrogenasen haben allerdings ein substantielles Verständnis der Enzymeigenschaften sowie des katalytischen Mechanismus geliefert und wichtige Merkmale aufgedeckt, welche für die Funktion notwendig sind. Darauf aufbauend, sind wir nun in der Lage diese allgemeinen Konstruktionsprinzipien anzuwenden, um ein optimiertes katalytisches System für eine effektive elektrochemische Energieumwandlung zu konstruieren. Unsere Strategie beim Katalysatordesign konzentriert sich auf die Entwicklung eines robusten, künstlichen Hydrogenase-Enzyms, das in eine elektrochemische Architektur integriert ist. Unter Verwendung eines Modell-Metalloenzyms als wohldefiniertes Gerüst werden wir ausgewählte Molekülkomplexe als intramolekulare Elektronenrelais einbauen, um die nativen redox-aktiven Kofaktoren funktionell zu modellieren und ihre Rolle in der Elektrokatalyse zu bestimmen. Das Hybridenzym wird auf einer Elektrodenoberfläche verankert, die als Elektronentransferpartner fungiert. Außerdem werden Systemvariablen sondiert, die den Grenzflächenladungstransfer beeinflussen. Die spezifischen Ziele des Forschungsprogramms bestehen darin, 1) Strategien für die Integration der einzelnen Komponenten zu entwerfen und zu implementieren; 2) neuartige spektroelektrochemische in-situ-Studien anzuwenden, um den Mechanismus der H2-Evolution durch die Hybridkonstruktionen zu untersuchen; 3) die Systeme durch Abstimmung der Eigenschaften der Sekundär- und Außensphäre zu optimieren, um die katalytische Effizienz zu erhöhen. Durch die Identifizierung der Rolle, die jede Komponente bei der Katalyse spielt, werden träge Schritte verbessert und unproduktive oder degradierende Pfade können beseitigt werden, um das katalytische System systematisch zu verbessern. Die aus diesen grundlegenden Studien gewonnenen Konstruktionsprinzipien, die zunächst auf die Untersuchung der H2-Produktion angewandt wurden, werden weitgehend auf die Erzeugung skalierbarer Materialien für die elektrochemische Energiespeicherung anwendbar sein, einschließlich Wasseroxidation, Stickstofffixierung und CO2-Reduktion.
