Dr. Alexis Bordet - Multifunktionale Katalytische Systeme

Zu den in unserer Gruppe häufig verwendeten molekularen Modifikatoren gehören kleine organische Moleküle, ionische Flüssigkeiten und Polymere. Metallnanopartikel (z. B. Mn, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pt und Bimetall) werden unter milden Bedingungen direkt im MMS aus organometallischen Vorläufern synthetisiert. Dieser organometallische Ansatz ermöglicht eine präzise Steuerung der Nanopartikelgröße, der Dispersion und, im Falle von bimetallischen Nanopartikeln, der Zusammensetzung. Darüber hinaus gewährleistet dies einen engen Kontakt zwischen den Metall-NP und den molekularen Modifikatoren, was zu einer hohen NP-Stabilität und starken synergistischen Effekten führt.

Relevante aktuelle Veröffentlichungen:

• Accounts: Bordet, A., Leitner, W. Metal Nanoparticles Immobilized on Molecularly Modified Surfaces: Versatile Catalytic Systems for Controlled Hydrogenation and Hydrogenolysis. Acc. Chem. Res. 2021, 54, 2144-2157 https://doi.org/10.1021/acs.accounts.1c00013
• N. Antil et al. Ruthenium Nanoparticles on Water-Stable Supported Ionic Liquid Phases as Catalytic Systems for Aqueous Phase CO₂ Hydrogenation. ACS Catal. 2025, 15, 14601-14610. https://doi.org/10.1021/acscatal.5c03605
• M. Durai et al. One-Pot Synthesis of E-Chalcones Using a Multifunctional Catalyst Comprised of Ruthenium Nanoparticles and Palladium N-Heterocyclic Carbene Complexes Immobilized on Silica. Chem. Sci. 2025, 16, 5776-5785. https://doi.org/10.1039/D4SC07773C
• J. Zenner et al. Bimetallic Mn_xRu_100-x Nanoparticles on Supported Ionic Liquid Phases (Mn_xRu_100-x@SILP) as Tunable Hydrogenation Catalysts. ACS Catal. 2025, 15, 3227-3235. https://doi.org/10.1021/acscatal.4c05494
• W. Fang et al. Molecularly Modified Aluminum Phosphates as Support Materials for Ru Nanoparticles in Selective Hydrogenation. J. Catal. 2025, 442, 115911. https://doi.org/10.1016/j.jcat.2024.115911
• Levin et al. Decarboxylation and Tandem Reduction/Decarboxylation Pathways to Substituted Phenols from Aromatic Carboxylic Acids using Bimetallic Nanoparticles on Supported Ionic Liquid Phases as Multifunctional Catalysts. J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 22845-22854. https://doi.org/10.1021/jacs.3c09290

Von optimierten zu adaptiven katalytischen Systemen

Die entwickelten NPs@MMS-Katalysatoren weisen zwar hinsichtlich ihrer speziellen Aufgaben herausragende Eigenschaften auf, ihre Leistung ist jedoch in der Regel so optimiert, dass sie statisch bleibt (Abbildung 2a). Flexibilität und Anpassungsfähigkeit werden jedoch immer wichtiger, um mit der Dynamik alternativer Energiequellen und Qualitätsschwankungen chemischer Rohstoffe umzugehen und eine maßgeschneiderte und dezentrale Produktion zu ermöglichen.

In diesem Zusammenhang arbeiten wir an der Entwicklung adaptiver katalytischer Systeme (Abbildung 2b), die wir kürzlich als „fähig, sich als Reaktion auf dynamische Veränderungen in der reaktiven Umgebung an unterschiedliche Leistungszustände anzupassen oder angepasst zu werden” definiert haben und die Möglichkeiten zur Anpassung der Produktselektivität (d. h. Anpassungsfähigkeit bei der Produktbildung) und/oder der katalytischen Aktivität (d. h.Anpassungsfähigkeit an eine intermittierende Stromversorgung) bieten. Die Umschaltung des Katalysatorzustands muss reversibel, schnell und robust sein (R³-Regel) und kann durch die Anwendung verschiedener Arten von externen Reizen (z. B. Elektronen, Photonen, Magnetfelder, reversible chemische Reaktionen usw.) ausgelöst werden.

Relevante aktuelle Veröffentlichungen:

• Scientific perspective: A. Bordet et al. Magnetically-Induced Catalysis: Definition, Advances and Potential.Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202424151. https://doi.org/10.1002/anie.202424151
• S. Ahmedi et al. Magnetically Induced Iron-Catalyzed Hydrodeoxygenation of Benzylic Esters and Polyesters. J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 34758-34766. https://doi.org/10.1021/jacs.5c10464
• S.-H. Lin et al. Low-Pressure Amide Hydrogenation Enabled by Magnetocatalysis. Nat. Commun. 2025, 16, 3464. https://doi.org/10.1038/s41467-025-58713-6
• S.-H. Lin et al. Copper-Decorated Iron Carbide Nanoparticles Heated by Magnetic Induction as Adaptive Multifunctional Catalysts for the Selective Hydrodeoxygenation of Aldehydes. Adv. Energy Mater. 2022, 2201783. https://doi.org/10.1002/aenm.202201783
• H. Kreissl et al. Commercial Cu₂Cr₂O₅ Decorated with Iron Carbide Nanoparticles as Multifunctional Catalyst for Magnetically Induced Continuous Flow Hydrogenation of Aromatic Ketones. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 26639-26646. https://doi.org/10.1002/anie.202107916

Anpassungsfähigkeit durch den Einsatz molekularer Auslöser (z. B. CO₂, CO usw.)

In dieser Forschungslinie untersuchen wir den Einsatz kleiner Moleküle als Auslöser, um die Selektivität katalytischer Systeme auf adaptive Weise zu steuern. Dies wird erreicht, indem wir unseren molekularen Modifikatoren spezifische Funktionen hinzufügen, die an reversiblen chemischen Reaktionen beteiligt sind, mit denen aktive Metallstellen modifiziert und Zwischenprodukte und Übergangszustände des katalytischen Zyklus beeinflusst werden, wodurch bestimmte Wege geöffnet oder geschlossen werden. Als prominentes aktuelles Beispiel haben wir gezeigt, dass CO₂ ein sehr wirksamer Auslöser sein kann, indem wir das Gleichgewicht CO₂ + H₂  HCOOH nutzen, um die Selektivität bei der Hydrierung von entsprechend gestalteten NPs@MMS-Katalysatoren auf vollständig reversible, schnelle und robuste Weise umzuschalten (Abbildung 4). Die aktuelle Arbeit konzentriert sich darauf, die Anwendung dieses Konzepts zu vereinfachen und zu erweitern sowie andere potenzielle molekulare Auslöser wie CO und NH₃ zu untersuchen.