The catalytic oxidation activity of platinum particles in automobile catalysts is thought to originate from the presence of highly reactive superficial oxide phases which form under oxygen-rich reaction conditions. The thermodynamic stability of platinum oxide surfaces and thin films was studied, as well as their reactivities towards oxidation of carbon compounds by means of first-principles atomistic thermodynamics calculations and molecular dynamics simulations based on density functional theory. On the Pt(111) surface the most stable superficial oxide phase is found to be a thin layer of alpha-PtO2, which appears not to be reactive towards either methane dissociation or carbon monoxide oxidation. A PtO-like structure is most stable on the Pt(100) surface at oxygen coverages of one monolayer, while the formation of a coherent and stress-free Pt3O4 film is favoured at higher coverages. Bulk Pt3O4 is found to be thermodynamically stable in a region around 900 K at atmospheric pressure. The computed net driving force for the dissociation of methane on the Pt3O4(100) surface is much larger than on all other metallic and oxide surfaces investigated. Moreover, the enthalpy barrier for the adsorption of CO molecules on oxygen atoms of this surface is as low as 0.34 eV, and desorption of CO2 is observed to occur without any appreciable energy barrier in molecular dynamics simulations. These results, combined, indicate a high catalytic oxidation activity of Pt3O4 phases that can be relevant in the contexts of Pt-based automobile catalysts and gas sensors.

The catalytic oxidation activity of platinum particles in automobile catalysts is thought to originate from the presence of highly reactive superficial oxide phases which form under oxygen-rich reaction conditions. The thermodynamic stability of platinum oxide surfaces and thin films was studied, as well as their reactivities towards oxidation of carbon compounds by means of first-principles atomistic thermodynamics calculations and molecular dynamics simulations based on density functional theory. On the Pt(111) surface the most stable superficial oxide phase is found to be a thin layer of alpha-PtO2, which appears not to be reactive towards either methane dissociation or carbon monoxide oxidation. A PtO-like structure is most stable on the Pt(100) surface at oxygen coverages of one monolayer, while the formation of a coherent and stress-free Pt3O4 film is favoured at higher coverages. Bulk Pt3O4 is found to be thermodynamically stable in a region around 900 K at atmospheric pressure. The computed net driving force for the dissociation of methane on the Pt3O4(100) surface is much larger than on all other metallic and oxide surfaces investigated. Moreover, the enthalpy barrier for the adsorption of CO molecules on oxygen atoms of this surface is as low as 0.34 eV, and desorption of CO2 is observed to occur without any appreciable energy barrier in molecular dynamics simulations. These results, combined, indicate a high catalytic oxidation activity of Pt3O4 phases that can be relevant in the contexts of Pt-based automobile catalysts and gas sensors.

Universiẗat, Diss., 2004--Düsseldorf.

Background: Inhaled carbon monoxide (CO) appears to have beneficial effects on endotoxemia-induced impairment of hypoxic pulmonary vasoconstriction (HPV). This study aims to specify correct timing of CO application, it’s biochemical mechanisms and effects on inflammatory reactions. Methods: Mice (C57BL/6; n = 86) received lipopolysaccharide (LPS, 30 mg/kg) intraperitoneally and subsequently breathed 50 ppm CO continuously during defined intervals of 3, 6, 12 or 18 h. Two control groups received saline intraperitoneally and additionally either air or CO, and one control group received LPS but breathed air only. In an isolated lung perfusion model vasoconstrictor response to hypoxia (FiO2 = 0.01) was quantified by measurements of pulmonary artery pressure. Pulmonary capillary pressure was estimated by double occlusion technique. Further, inflammatory plasma cytokines and lung tissue mRNA of nitric-oxide-synthase-2 (NOS-2) and heme oxygenase-1 (HO-1) were measured. Results: HPV was impaired after LPS-challenge (p < 0.01). CO exposure restored HPV-responsiveness if administered continuously for full 18 h, for the first 6 h and if given in the interval between the 3rd and 6th hour after LPS-challenge (p < 0.05). Preserved HPV was attributable to recovered arterial resistance and associated with significant reduction in NOS-2 mRNA when compared to controls (p < 0.05). We found no effects on inflammatory plasma cytokines. Conclusion: Low-dose CO prevented LPS-induced impairment of HPV in a time-dependent manner, associated with a decreased NOS-2 expression.

Hämoxygenasen (HO) katalysieren unter der Aufnahme von molekularen Sauerstoff und der Freisetzung von Kohlenmonoxid (CO) und Eisen (Fe2+) die Oxidation von Häm zu Biliverdin. HO-1, eine induzierbare Isoform der HO, wird durch ihre Aktivität mit zellschützenden, antiinflammatorischen und antiapoptotischen Eigenschaften in Verbindung gebracht. Dabei gilt insbesondere das CO als Mediator dieser Eigenschaften. Die molekularen Wechselwirkungen und genregulatorischen Funktionen von CO sind allerdings noch weitgehend unbekannt. In dieser Arbeit wurden mittels cDNA Microarray-Technologie Gene identifiziert, die in der murinen Leber nach Inhalation von CO oder nach pharmakologischer Induktion von mHO-1 eine differentielle Expression der mRNA aufwiesen. Diese Gene konnten in einen Zusammenhang mit der circadianen Uhr gebracht werden und führten zu der Hypothese, dass CO einen direkten Einfluss auf den molekularen Oszillator der Inneren Uhr hat. Dies konnte in primären Hepatozyten durch eine veränderte circadiane Expression der essentiellen Uhrgene mPer2 und mRev-erba nach CO-Behandlung bestätigt werden. Weiterhin wurde für mHo-1 eine, bisher unbekannte, circadian regulierte Genexpression in primären Hepatozyten und der murinen Leber gezeigt. Es konnte die Funktionalität einer speziesübergreifend, konservierten E-Box im Promotor von mHo-1 nachgewiesen werden, die diese Regulation initiieren kann. Bezüglich der circadianen Oszillation von essentiellen Komponenten der circadianen Uhr zeigten mHo-1 Knockout-Fibroblasten eine veränderte Genexpression. Die Ergebnisse dieser Arbeit demonstrieren eine enge Kopplung des Häm-Metabolismus mit der circadianen Uhr. HO-1 scheint dabei in diesem regulativen Netzwerk eine funktionale Rolle zu spielen. Einerseits könnte diese Verbindung eine weitere Kommunikation der circadianen Uhr mit metabolischen Prozessen darstellen und bietet andererseits eine neue Sichtweise bezüglich der Aufklärung der zellschützenden Eigenschaften von HO-1. / Heme oxygenases (HO) catalyze the oxidation of heme and generate the bile pigment biliverdin, ferric iron and carbon monoxide (CO). Endogenous produced CO, especially due to the activity of the inducible isoform HO-1, has been associated with cytoprotective, anti-inflammatory and –apoptotic functions. CO is a signalling molecule, but the molecular interactions and gene regulatory functions are still unknown. In the present thesis a cDNA microarray identified genes in murine liver which were expressed differentially after inhalation of CO and pharmacological induction of HO-1. Interestingly, the expression of the candidate genes is directly controlled by the molecular circadian clockwork, and led to the hypothesis that CO has an influence on the molecular oscillator of the circadian clock. It was shown, that CO influences the gene expression of essential clock genes in primary hepatocytes. Furthermore, it was demonstrated that the gene expression and activity of mHO-1 is circadian regulated in primary hepatocytes and liver, and is reasonably based on a functional E-box in the promoter of the mHO-1 gene. The deficiency of HO-1 in HO-1 knockout mice displayed differential gene expression profiles in magnitude and amplitude of the circadian oscillations of essential clock and output genes. In this work it was shown, that the heme metabolism is coupled very close to the molecular circadian oscillator. HO-1 plays a functional role in the regulation of this regulatory network, which could provide insights into the understanding of cytoprotective properties of HO-1.

Poröse Materialien zeichnen sich durch hohe spezifische Oberflächen bzw. hohe spezifische Porenvolumina aus. Dies macht sie zu geeigneten Kandidaten für die Gasspeicherung, Stofftrennung und die heterogene Katalyse, die Hauptanwendungsgebiete poröser Materialien. Um poröse Materialien hinsichtlich der eben genannten Anwendungsfelder zu optimieren ist es von entscheidender Bedeutung, sie hinsichtlich ihrer jeweiligen Anwendung maßzuschneidern. Eine Klasse hochporöser Materialien, bei der das Maßschneidern der Poren möglich ist, ist die der metallorganischen Gerüstverbindungen [engl. Metal-Organic Frameworks (MOFs)]. MOFs zeichnen sich durch einen modularen Aufbau aus, der ein systematisches Design der Poren erlaubt. Auch poröse Polymere können durch Funktionalisierung der entsprechenden Monomere hinsichtlich verschiedener Anwendungsgebiete gezielt synthetisiert werden. Ein Ziel dieser Arbeit war die Integration des Metalls Rhodium als knotenbildendes Element in ein MOF. Dazu wurde Rhodium(II)-acetat, welches bereits das Schaufelradmotiv enthält, mit den trifunktionellen Carbonsäuren Trimesinsäure und 4,4´,4´´ Benzen-1,3,5-triyl-tribenzoesäure zu den MOFs DUT 82 und DUT 83 umgesetzt. Das Schaufelradmotiv als sekundäre Baueinheit in DUT-82 konnte durch röntgenabsorptionspektroskopische Untersuchungen nachgewiesen werden. Nach überkritischem Trocknen gefolgt von thermischer Aktivierung zeigten DUT-82 und DUT-83 eine permanente Porosität mit spezifischen BET-Oberflächen von bis zu 1150 m2g-1. Weiterhin konnte für DUT-82 eine sehr hohe Affinität zu Kohlenmonoxid, die selten für MOFs beobachtet wird, nachgewiesen werden. Berechnungen der Adsorptionsenthalpie ergaben bei niedrigen Beladungen einen Wert von ungefähr 50 kJmol-1, was für eine Chemisorption von Kohlenmonoxid an DUT-82 bei niedrigen Drücken spricht. Weiterhin zeigten katalytische Untersuchungen, dass sich DUT-82 als heterogener Hydrierkatalysator eignet. In einer Modellreaktion konnte Styrol erfolgreich zu Ethylbenzen umgesetzt werden. In einem weiteren Teil der Arbeit sollte ein MOF synthetisiert werden, das Stabilität und eine hohe Kapazität für Schwefelwasserstoff miteinander vereint. Eine Klasse bereits bekannter MOFs mit hoher Stabilität basiert auf dem [Zr6O4(OH)4]12+-Cluster. Durch Kombination des [Zr6O4(OH)4]12+-Clusters mit Bipyridindicarboxylat konnte das MOF UiO-67(bipy) hergestellt werden, welches isostrukturell zu UiO 67 ist. Untersuchungen an UiO 67(bipy) zeigten, dass das unbeladene Netzwerk keinen Schwefelwasserstoff adsorbiert. Die Bipyridinfunktionalität wurde anschließend für die permanente Integration weiterer Metallzentren (Metall = Cu, Ni, Co) genutzt. Dazu wurde UiO-67(bipy) zu wässrigen oder ethanolischen Metallsalzlösungen gegeben und es kam zur Adsorption der Metallsalze aus der Flüssigphase. Durch die postsynthetische Integration der Metallsalze konnte die Adsorptionskapazität der resultierenden Metallsalz@UiO-67(bipy)-Materialien für Schwefelwasserstoff bis auf 8 Gew.% gesteigert werden. Neben Adsorption und Katalyse ist die Sensorik ein weiteres Anwendungsfeld von MOFs. Eine organische Einheit, die sich als sensitive Komponente für eine Integration in ein MOF anbietet, ist Dihydro-1,2,4,5-tetrazin, das zu 1,2,4,5-Tetrazin oxidiert werden kann. Das bemerkenswerte Merkmal dieser Reaktion ist der radikale Farbwechsel von Gelb nach Pink. Nach erfolgreicher Synthese der Dihydro-1,2,4,5-tetrazindicarbonsäure sollte sie durch Kombination mit dem [Zr6O4(OH)4]12+-Cluster zu einem UiO-66 analogen Netzwerk in ein stabiles Netzwerk integriert werden. Da die direkte Syntheseroute eines UiO-66 analogen Netzwerks nicht zum Erfolg führte, wurde die mildere Variante des Linkeraustauschs gewählt. Über diese Route konnte das Dihydro-1,2,4,5-tetrazindicarboxylat erfolgreich partiell in das UiO-66 Netzwerk integriert werden. Anschließende Untersuchungen zeigten, dass die in das Netzwerk eingebaute Dihydro-1,2,4,5-tetrazin-Einheit sowohl in der Flüssig- als auch in der Gasphase erfolgreich oxidiert werden kann, was durch UV/vis-Messungen belegt werden konnte. Eine weitere Klasse poröser Materialien, die hervorragende chemische Stabilität aufweist, ist die der konjugierten Triazin-Netzwerke. Sie entstehen durch Cyclotrimerisierung multifunktioneller Nitrile. Durch geschickte Wahl der Monomere ist eine Funktionalisierung der Triazin-Netzwerke möglich. Um ein chirales Triazin-Netzwerk zu synthetisieren, wurde Spirobiindan erfolgreich mit Nitrilgruppen funktionalisiert. Die Umsetzung des Monomers in einer Zinkchlorid-Schmelze führte zu porösen Polymeren mit spezifischen BET-Oberflächen von bis zu 1180 m2g 1. Dabei konnte die Porengrößenverteilung des Triazin-Netzwerkes durch Variation des Verhältnisses von Zinkchlorid zu Monomer gezielt eingestellt werden. Die Polymersynthese erfolgte mit einer racemischen Mischung des Monomers und führte somit zu einem achiralen Polymer. Erste Untersuchungen zeigten, dass eine Trennung des racemisch vorliegenden Monomers mittels Hochleistungsflüssigchromatographie möglich ist. Die Imidazoliumgruppe ist eine weitere Baueinheit, die in Triazin-Polymere integriert werden sollte, da sie leicht in ein N-Heterocyclisches Carben überführt werden kann. N-Neterocyclische Carbene können direkt als Katalysator bzw. als Ligand für eine Vielzahl von Metallen zur Generierung eines Katalysators genutzt werden. Über mehrstufige Synthesen konnten zwei nitrilfunktionalisierte Imidazoliumsalze hergestellt werden. Die anschließende Cyclotrimerisierung führte zu porösen Polymeren mit spezifischen BET-Oberflächen von bis zu 680 m2g-1. Erste katalytische Untersuchungen zum Einsatz dieser Triazin-Netzwerke in Umpolungsreaktionen von Zimtaldehyd mit 2,2,2 Trifluoracetophenon zeigten jedoch lediglich einen geringen Umsatz zum gewünschten Produkt.

Poröse Materialien zeichnen sich durch hohe spezifische Oberflächen bzw. hohe spezifische Porenvolumina aus. Dies macht sie zu geeigneten Kandidaten für die Gasspeicherung, Stofftrennung und die heterogene Katalyse, die Hauptanwendungsgebiete poröser Materialien. Um poröse Materialien hinsichtlich der eben genannten Anwendungsfelder zu optimieren ist es von entscheidender Bedeutung, sie hinsichtlich ihrer jeweiligen Anwendung maßzuschneidern. Eine Klasse hochporöser Materialien, bei der das Maßschneidern der Poren möglich ist, ist die der metallorganischen Gerüstverbindungen [engl. Metal-Organic Frameworks (MOFs)]. MOFs zeichnen sich durch einen modularen Aufbau aus, der ein systematisches Design der Poren erlaubt. Auch poröse Polymere können durch Funktionalisierung der entsprechenden Monomere hinsichtlich verschiedener Anwendungsgebiete gezielt synthetisiert werden. Ein Ziel dieser Arbeit war die Integration des Metalls Rhodium als knotenbildendes Element in ein MOF. Dazu wurde Rhodium(II)-acetat, welches bereits das Schaufelradmotiv enthält, mit den trifunktionellen Carbonsäuren Trimesinsäure und 4,4´,4´´ Benzen-1,3,5-triyl-tribenzoesäure zu den MOFs DUT 82 und DUT 83 umgesetzt. Das Schaufelradmotiv als sekundäre Baueinheit in DUT-82 konnte durch röntgenabsorptionspektroskopische Untersuchungen nachgewiesen werden. Nach überkritischem Trocknen gefolgt von thermischer Aktivierung zeigten DUT-82 und DUT-83 eine permanente Porosität mit spezifischen BET-Oberflächen von bis zu 1150 m2g-1. Weiterhin konnte für DUT-82 eine sehr hohe Affinität zu Kohlenmonoxid, die selten für MOFs beobachtet wird, nachgewiesen werden. Berechnungen der Adsorptionsenthalpie ergaben bei niedrigen Beladungen einen Wert von ungefähr 50 kJmol-1, was für eine Chemisorption von Kohlenmonoxid an DUT-82 bei niedrigen Drücken spricht. Weiterhin zeigten katalytische Untersuchungen, dass sich DUT-82 als heterogener Hydrierkatalysator eignet. In einer Modellreaktion konnte Styrol erfolgreich zu Ethylbenzen umgesetzt werden. In einem weiteren Teil der Arbeit sollte ein MOF synthetisiert werden, das Stabilität und eine hohe Kapazität für Schwefelwasserstoff miteinander vereint. Eine Klasse bereits bekannter MOFs mit hoher Stabilität basiert auf dem [Zr6O4(OH)4]12+-Cluster. Durch Kombination des [Zr6O4(OH)4]12+-Clusters mit Bipyridindicarboxylat konnte das MOF UiO-67(bipy) hergestellt werden, welches isostrukturell zu UiO 67 ist. Untersuchungen an UiO 67(bipy) zeigten, dass das unbeladene Netzwerk keinen Schwefelwasserstoff adsorbiert. Die Bipyridinfunktionalität wurde anschließend für die permanente Integration weiterer Metallzentren (Metall = Cu, Ni, Co) genutzt. Dazu wurde UiO-67(bipy) zu wässrigen oder ethanolischen Metallsalzlösungen gegeben und es kam zur Adsorption der Metallsalze aus der Flüssigphase. Durch die postsynthetische Integration der Metallsalze konnte die Adsorptionskapazität der resultierenden Metallsalz@UiO-67(bipy)-Materialien für Schwefelwasserstoff bis auf 8 Gew.% gesteigert werden. Neben Adsorption und Katalyse ist die Sensorik ein weiteres Anwendungsfeld von MOFs. Eine organische Einheit, die sich als sensitive Komponente für eine Integration in ein MOF anbietet, ist Dihydro-1,2,4,5-tetrazin, das zu 1,2,4,5-Tetrazin oxidiert werden kann. Das bemerkenswerte Merkmal dieser Reaktion ist der radikale Farbwechsel von Gelb nach Pink. Nach erfolgreicher Synthese der Dihydro-1,2,4,5-tetrazindicarbonsäure sollte sie durch Kombination mit dem [Zr6O4(OH)4]12+-Cluster zu einem UiO-66 analogen Netzwerk in ein stabiles Netzwerk integriert werden. Da die direkte Syntheseroute eines UiO-66 analogen Netzwerks nicht zum Erfolg führte, wurde die mildere Variante des Linkeraustauschs gewählt. Über diese Route konnte das Dihydro-1,2,4,5-tetrazindicarboxylat erfolgreich partiell in das UiO-66 Netzwerk integriert werden. Anschließende Untersuchungen zeigten, dass die in das Netzwerk eingebaute Dihydro-1,2,4,5-tetrazin-Einheit sowohl in der Flüssig- als auch in der Gasphase erfolgreich oxidiert werden kann, was durch UV/vis-Messungen belegt werden konnte. Eine weitere Klasse poröser Materialien, die hervorragende chemische Stabilität aufweist, ist die der konjugierten Triazin-Netzwerke. Sie entstehen durch Cyclotrimerisierung multifunktioneller Nitrile. Durch geschickte Wahl der Monomere ist eine Funktionalisierung der Triazin-Netzwerke möglich. Um ein chirales Triazin-Netzwerk zu synthetisieren, wurde Spirobiindan erfolgreich mit Nitrilgruppen funktionalisiert. Die Umsetzung des Monomers in einer Zinkchlorid-Schmelze führte zu porösen Polymeren mit spezifischen BET-Oberflächen von bis zu 1180 m2g 1. Dabei konnte die Porengrößenverteilung des Triazin-Netzwerkes durch Variation des Verhältnisses von Zinkchlorid zu Monomer gezielt eingestellt werden. Die Polymersynthese erfolgte mit einer racemischen Mischung des Monomers und führte somit zu einem achiralen Polymer. Erste Untersuchungen zeigten, dass eine Trennung des racemisch vorliegenden Monomers mittels Hochleistungsflüssigchromatographie möglich ist. Die Imidazoliumgruppe ist eine weitere Baueinheit, die in Triazin-Polymere integriert werden sollte, da sie leicht in ein N-Heterocyclisches Carben überführt werden kann. N-Neterocyclische Carbene können direkt als Katalysator bzw. als Ligand für eine Vielzahl von Metallen zur Generierung eines Katalysators genutzt werden. Über mehrstufige Synthesen konnten zwei nitrilfunktionalisierte Imidazoliumsalze hergestellt werden. Die anschließende Cyclotrimerisierung führte zu porösen Polymeren mit spezifischen BET-Oberflächen von bis zu 680 m2g-1. Erste katalytische Untersuchungen zum Einsatz dieser Triazin-Netzwerke in Umpolungsreaktionen von Zimtaldehyd mit 2,2,2 Trifluoracetophenon zeigten jedoch lediglich einen geringen Umsatz zum gewünschten Produkt.

Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung einer Hochdurchsatz-Methode für Herstellung und Screening imprägnierter heterogener Katalysatoren. Es werden Hopkalit-, Platin- und Chrom-basierende Stoffsysteme auf Aluminiumoxid bzw. Titandioxid untersucht. Heterogene Katalysatorbibliotheken mit diskreten Zusammensetzungsgradienten werden mittels Tintenstrahldruck präpariert, wofür zunächst bedruckbare poröse Substrate hergestellt werden. Es wird eine Methode zur teilautomatisierten Bestimmung der Größe dosierter Mikrotropfen implementiert. Gedruckte Katalysatoren werden mit klassisch trockenimprägnierten Proben verglichen. Für eine homogene Verteilung der Katalysatorspezies werden Einflussparameter evaluiert, von welchen die Tintenviskosität als entscheidend identifiziert wird. Zur Einschätzung der Katalysatorhomogenität wird Raman-Mikrospektroskopie eingesetzt. Für Untersuchungen unter Reaktionsbedingungen wird ein Parallelreaktor konstruiert und gefertigt. Zum Vergleich dienen Versuche im klassischen Strömungsrohr. Als Testreaktion dient die Kohlenmonoxid-Oxidation. Die Aktivität der imprägnierten Katalysatoren wird mittels In-situ-IR-Spektroskopie mit verschiedenen Messstrategien untersucht. Versuche an Katalysatorpulvern im konventionellen Strömungsrohrreaktor ermöglichen einen Vergleich der Ergebnisse.:1 Einleitung 2 Theoretischer Teil 2.1 Tintenstrahldruck 2.1.1 Funktionsweise von Tintenstrahldruckern 2.1.2 Druckbarkeit von Fluiden mittels DOD-Tintenstrahldruck 2.1.3 Benetzungsverhalten gedruckter Tropfen auf Feststoffoberflächen 2.2 Kaffeeringeffekt 2.2.1 Ursache des Kaffeeringeffekts 2.2.2 Unterdrückung des Kaffeeringeffekts 2.3 Hochdurchsatz und Kombinatorik 2.3.1 Tintenstrahldruck in der kombinatorischen Materialforschung 2.3.2 Hochdurchsatz-Screening heterogener Gasphasenreaktionen 3 Ergebnisse und Diskussion 3.1 Konzept und Zielsetzung 3.1.1 Konzept des Drucks binärer Katalysatorbibliotheken 3.1.2 Vorangegangene Arbeiten 3.1.3 Übersicht und Zielsetzung dieser Arbeit 3.2 Vorversuche an klassisch imprägnierten Katalysatoren 3.2.1 Charakterisierung der eingesetzten Substratmaterialien 3.2.2 Thermogravimetrische Analyse der Katalysatorimprägnierung 3.2.3 Raman-Spektren ausgewählter imprägnierter Katalysatoren 3.2.4 Pulverröntgendiffraktogramme ausgewählter Katalysatoren 3.3 Substratherstellung 3.3.1 Herstellung von Dünnschichtsubstraten 3.3.2 Herstellung von eingestrichenen Substraten 3.3.3 Porenvolumina der Substrate 3.4 Tintenstrahldruck heterogener Katalysatorbibliotheken 3.4.1 Bestimmung der Mikrotropfengröße 3.4.2 Allgemeine Vorgehensweise zur Bestimmung der Katalysatorverteilung 3.4.3 Einfluss der optischen Fokussierung auf die Raman-Intensität 3.4.4 Drucken heterogener Katalysatoren auf Dünnschichtsubstraten 3.4.5 Drucken heterogener Katalysatoren auf Presslingen 3.4.6 Drucken heterogener Katalysatoren auf eingestrichenen Substraten 3.5 Kohlenmonoxid-Oxidation und Mikrospektroskopie 3.5.1 Aufbau der Reaktionszelle 3.5.2 In-situ-Infrarot-Spektroskopie 3.5.3 In-situ-Raman-Spektroskopie 4 Zusammenfassung und Ausblick 5 Experimenteller Teil 5.1 Tintenstrahldruck von Katalysatorbibliotheken 5.1.1 Allgemeines zum eingesetzten Drucksystem 5.1.2 Substratherstellung 5.1.3 Vorbereitung der Vorstufenlösungen 5.1.4 Einstellung der Dosierparameter und Koordinatenkalibrierung 5.1.5 Ermittlung der Tropfengröße 5.1.6 Erstellung des Druckprogrammes und Durchführung des Druckprozesses 5.2 Verwendete Analysemethoden 5.2.1 Raman-Mikrospektroskopie 5.2.2 Infrarot-Mikrospektroskopie 5.2.3 Porenvolumenbestimmung mittels Helium-Pyknometrie 5.2.4 Stickstoffadsorption zur Bestimmung von Feststoffoberfläche und Porenvolumen 5.2.5 Partikelgrößenbestimmung 5.2.6 Pulverröntgendiffraktometrie 5.2.7 Thermogravimetrische Analyse 5.3 Bestimmung der katalytischen Aktivität 5.3.1 Reaktionszelle für In-situ-Spektroskopie 5.3.2 Umsatzbestimmung von Pulverproben im konventionellen Strömungsrohr 5.4 Verwendete Chemikalien 6 Anhang Verzeichnisse Literaturverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Selbständigkeitserklärung Danksagung

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Hydrogenasen sind komplexe Enzyme, die die reversible Oxidation von molekularem Wasserstoff zu Protonen und Elektronen katalysieren. Diese Enzyme erlauben ihrem Wirtsorganismus das Wachstum unter chemolithoautotrophen Bedingungen. Der Modellorganismus Ralstonia eutropha besitzt drei gut charakterisierte Hydrogenasen der [NiFe]-Klasse, die sich durch ihre Sauerstofftoleranz auszeichnen. Ihr aktives Zentrum besteht aus einer komplexen prosthetischen Gruppe, welche aus einem Nickel- und einem Eisenatom besteht. Letzteres koordiniert drei diatomare Liganden, zwei Cyanide und ein CO. Die Synthese der gesamten Ni(SR)2(µ-SR)2Fe(CN)2(CO)-Gruppe ist ein komplexer Prozess. Die sogenannte Maturation benötigt wenigstens sechs akzessorische Proteine, die sogenannten Hyp-Proteine. Das umfassende Verständnis dieser Maturationsprozesse ermöglicht eine Vielzahl von biotechnologischen Anwendungen. Die vorliegende Arbeit untersucht die Maturation unter verschiedenen Gesichtspunkten. Zentrale, offene Fragen sind die Herkunft des Carbonylliganden sowie die Prozesse, die zur Ligandierung des katalytischen Eisens führen. Dazu wurden molekularbiologische, biochemische und spektroskopische Methoden in Verbindung mit Isotopenmarkierung eingesetzt. Unter anderem konnte dabei gezeigt werden, dass das katalytische Eisen alle seine Liganden bereits im HypCD-Komplex, dem zentralen Element der Maturation, erhält. Ferner konnte in dieser Arbeit, erstmalig für [NiFe]-Hydrogenasen, eine konkrete Biosynthese des seltenen und toxischen diatomaren CO-Liganden beschrieben werden. Ausgehend vom Alpha-Kohlenstoff von Glycin wird der Tetrahydrofolat (THF)-abhängige C1-Metabolismus mit C1-Einheiten versorgt. Durch die enzymatische Aktivität von HypX wird die Formylgruppe von N10-Formyl-THF zu CO umgesetzt. / Hydrogenases are complex enzymes that catalyze the reversible oxidation of molecular hydrogen into protons and electrons. These enzymes allow their host organism to grow under chemolithoautotrophic conditions. The model organism Ralstonia eutropha has three well-characterized [NiFe]-hydrogenases, which exhibit an extraordinary high oxygen tolerance. Its active center is a complex prosthetic group which consists of a nickel and iron atom. The latter coordinates three diatomic ligands, two cyanides and one CO. The biosynthesis of the whole Ni(SR)2(μ-SR)2Fe(CN)2(CO)-group is a complex process. This so-called maturation process needs the activity of at least six accessory proteins, the Hyp-proteins. Understanding the maturation allows a variety of biotechnological applications. The present study examines the maturation of [NiFe]-hydrogenases under different aspects. The major questions concern the origin of the carbonyl ligand as well as the processes that lead to ligandation of the designated catalytic iron. To adress these tasks, molecular biological, biochemical and spectroscopic methods in combination with isotopic labeling were employed. Inter alia, it could be shown that the catalytic iron in the HypCD-complex, the central element of the maturation process, contains all three diatomic ligands. Furthermore, this study describes, for the first time in [NiFe]-hydrogenases, a specific biosynthetic route of the rare and toxic diatomic CO-ligand. Starting from the alpha-carbon of glycine the tetrahydrofolate (THF)-dependent one-carbon metabolism is replenished with one-carbon units. Subsequently the formyl group from N10-formyl-THF is hydrolyzed by the enzymatic activity from HypX and further converted to carbon monoxide as determined by isotopic labeling and infrared spectroscopy.