Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft

Das Max-Planck-Cardiff Centre Funcat schafft Grundlagen für die systematische Entwicklung von chemischen Reaktionsbeschleunigern

König Felipe der VI.  von Spanien besuchte das Fritz-Haber-Institut

Erkenntnisse zur Katalyse an Vanadiumpentoxid geben Hinweise für ein neues Katalysatordesign

Die Drehimpulsübertragung in 4f-Antiferromagneten hängt von der Stärke der RKKY-Kopplung ab

Optische Scherkräfte ermöglichen eine neue Art von Licht-Materie-Wellen

Aus dem Treibhausgas Kohlendioxid sollen künftig wichtige Chemikalien und Kraftstoffe entstehen. Die Chemie würde damit einen großen Schritt hin zu einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft machen. Die Gruppe von Beatriz Roldán Cuenya am Berliner Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft erforscht, wie sich das bewerkstelligen lässt.

Die Frage, „was die Welt im Innersten zusammenhält“, trieb schon Goethes Faust um. Seitdem ist einige Zeit vergangen, doch die Kräfte, die die Welt auf molekularer Ebene zusammenhalten, sind auch heute noch Gegenstand aktueller Forschung.

Die Kryo-Elektronenmikroskopie ermöglicht es, winzige Strukturen wie Moleküle bis aufs Atom genau abzubilden. Für ihren Beitrag zur Entwicklung dieser Technik bekamen der Brite Richard Henderson, der deutschstämmige US-Forscher Joachim Frank und der Schweizer Jacques Dubochet den Chemie-Nobelpreis 2017. Am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin war der ehemalige Arbeitsgruppenleiter Friedrich Zemlin mit dabei, als die Methode in den 1980er-Jahren ihren Platz in der Biologie eroberte.

Drei Probleme, eine Lösung. Das macht den besonderen Charme eines Forschungsprojekts aus, an dem Malte Behrens und Robert Schlögl am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck- Gesellschaft in Berlin arbeiten. Die Chemiker möchten Kohlendioxid als chemischen Rohstoff einsetzen. Auf diese Weise wollen sie das Treibhausgas aus der Atmosphäre fernhalten, Kohle, Gas und Öl ersetzen und regenerative Energie speichern.

Von der Plastiktüte bis zum Wasserstoffgas: Ohne Katalysatoren läuft in der Chemie fast nichts. Oft enthalten die Reaktionsbeschleuniger Metalle, die manchmal selten sind oder nur unter hohem Energieaufwand arbeiten. Ob es auch ohne geht, wollte ein Forscherteam um Robert Schlögl, Direktor am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin, herausfinden.

Drei Probleme, eine Lösung. Das macht den besonderen Charme eines Forschungsprojekts aus, an dem Malte Behrens und Robert Schlögl am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin arbeiten. Die Chemiker möchten Kohlen-dioxid als chemischen Rohstoff einsetzen. Auf diese Weise wollen sie das Treibhausgas aus der Atmosphäre fernhalten, Kohle, Gas und Öl ersetzen und regenerative Energie speichern.

Am Fritz-Haber-Institut (FHI) in Berlin entwickeln und nutzen wir neue experimentelle Methoden zur Charakterisierung, Kontrolle und spektroskopischen Untersuchung von Molekülen in der Gasphase, in Flüssigkeiten und an Oberflächen. Zwei Methoden, die unter der Leitung von H.-J. Freund zum Verständnis des Zusammenhangs zwischen Struktur und chemischer Aktivität in Modellsystemen für heterogene Katalysatoren, d.h. auf einkristallinen Substraten, erarbeitet wurden, stellen wir hier vor: Oberflächenaktionsspektroskopie (SAS) und Hochgeschwindigkeits-Spiral-STM (Rastertunnelmikroskopie).

Trotz ihrer Bedeutung für die chemische Industrie und die Energieversorgung werden Katalysatoren immer noch empirisch entwickelt. Das umfangreiche Grundlagenwissen über die Funktion von Grenzflächen in der Katalyse befähigt uns noch nicht zu deren wissensbasierten Entwurf. Ursache ist die chemische Dynamik der Grenzfläche. Sie existiert nur unter Arbeitsbedingungen und verändert die Konstitution der Grenzfläche erheblich. Die Resultate von operando Analysen und von Theorie erlauben uns, Katalysatoren als dünne Schichten zu entwickeln, bei denen sich die chemische Dynamik vordefinieren lässt. 

Phasenübergänge werden durch die freie Energielandschaft bestimmt, deren Minima zum Auftreten geordneter Phasen führt. Jedoch sind viele Fragen hinsichtlich der Eigenschaften der Energielandschaften und der mikroskopischen dynamischen Prozesse während eines Phasenübergangs unbeantwortet. Wir haben mit ultrakurzen Laserpulsen die Energielandschaft unterschiedlicher Materialien untersucht, um die Mechanismen hinter den Phasenübergängen zu beleuchten. Mit dem Ziel, Materialeigenschaften auf ultraschnellen Zeitskalen zu kontrollieren, könnte dieser Ansatz z.B. neuartige Datenspeicher ermöglichen.

Effizientere Elektrolyseure zur Herstellung von grünem Wasserstoff aus Wasser und von chemischen Energiespeichern aus CO₂ benötigen die Entwicklung geeigneter Katalysatoren. Dafür ist ein grundlegendes Verständnis der physikalisch-chemischen Prozesse unter Reaktionsbedingungen essentiell. Wir konnten kürzlich dynamische Prozesse während der elektrochemischen CO₂-Umwandlung entschlüsseln. Diese neuen Erkenntnisse ermöglichen die Optimierung von Katalysatoren und damit langfristig die Umsetzung einer nachhaltigen, schadstoffarmen Wirtschaft und den Aufbau einer Wasserstoff-basierten Industrie.

In der Katalyse und bei der Erforschung anderer Funktionsmaterialien werden große Datenmengen erzeugt. Die interdisziplinäre Nutzung aller dieser Daten unter Anwendung von Methoden der Informatik und künstlichen Intelligenz wird zu neuen Erkenntnissen in den Materialwissenschaften führen. Sie stellt jedoch hohe Anforderungen an die Qualität der Daten. Wir erarbeiten standardisierte Verfahren zur Erzeugung von (Meta-) Daten komplexer, dynamischer Systeme und tragen somit zu einer FAIRen Nutzung von Forschungsdaten als Grundlage für die Entwicklung neuer, zukunftssichernder Technologien bei.