Forschung

Überblick

Unsere Forschungsanstrengungen zielen auf die Bewältigung der energiepolitischen Herausforderungen der heutigen Gesellschaft ab. Wenn wir unseren derzeitigen Lebensstandard beibehalten wollen, ohne den Planeten, auf dem wir leben, weiter zu verschmutzen, müssen neue Methoden entwickelt werden, um erneuerbare Energiequellen anstelle von fossilen Brennstoffen zu nutzen. Der Schwerpunkt unseres Labors liegt auf der Entwicklung und dem Verständnis der Umwandlung von Sonnenenergie in Chemikalien. Langfristiges Ziel ist es, Sonnenenergie effizient zu absorbieren und zu speichern, um sie in Brennstoffe und Chemikalien mit Mehrwert umzuwandeln. Dazu müssen verbesserte Materialien entwickelt werden, um diese Umwandlungen durchzuführen. Zu diesem Zweck setzen wir die Elektrokatalyse und die Biokatalyse ein. Dabei wenden wir einen iterativen Zyklus an:

Materialdesign zur Lösung eines spezifischen Problems,
Synthese und Charakterisierung des genannten Materials,
Anwendung von Spektroskopie und Analytik zur Aufklärung der Funktionsweise der Materialien und
Entwicklung von Struktur-Funktions-Beziehungen und Lehren, die in den nächsten Zyklus des Materialdesigns einfließen.

Metallorganische Gerüststrukturen

Die Entwicklung von Katalysatoren für die Nutzung erneuerbarer Energien ist ein dringendes globales Problem. Das Ziel dieses Forschungsprogramms ist die Untersuchung elektrokatalytischer metallorganischer Gerüste (MOFs) mit rational konzipierten dreidimensionalen katalytisch aktiven Taschen für die Umwandlung von Elektrizität in Kraftstoffe und Chemikalien. MOFs sind dauerhaft poröse Strukturen, die organische Linker und anorganische Knotenpunkte kombinieren und rational gestaltet werden können, um eine optimale Leistung zu erzielen. Von besonderem Interesse ist die Einbeziehung von Funktionalitäten, die Enzyme so effizient machen, und zwar durch die Verwendung von stabilisierenden Liganden, die in das Gerüst eingepfropft sind, Protonen-Shuttles, Hydrophobie in den Hohlräumen und Tandem-Katalyse in begrenzten Umgebungen. Es soll gezeigt werden, dass Reaktionen von CO₂ - und H₂O-Ausgangsmaterialien zu den gewünschten Produkten (d. h. CH₃OH, CH₄, CH₃CH₂OH...) durch die Schaffung von elektrochemischen Systemen auf MOF-Basis, die von Enzymen inspirierte Reaktionseffekte enthalten, effizient durchgeführt werden können.

Nanomaterialien und Plasmonik

Um Wege zu einer weit verbreiteten Nutzung erneuerbarer Energien zu finden, müssen neue Generationen von katalytischen Materialien entwickelt werden. Das Design, die Synthese und die Charakterisierung funktioneller Materialien müssen mit Schwerpunkt auf der Nanoskala durchgeführt werden. Dies hat zwei Gründe:

Viele der grundlegenden Phänomene, die bei chemischen Umwandlungen eine Rolle spielen, finden auf der Nanoskala statt. Dazu gehören Lichtabsorption, Oberflächenreaktionen, elektronische Wechselwirkungen und Wechselwirkungen zwischen Lösungsmitteln und Substraten.
Bei der Verkleinerung auf den nanoskopischen Bereich weisen viele Materialien ganz andere Eigenschaften auf als die gleichen Materialien in der Masse. Diese neuen Eigenschaften können für reale Anwendungen oder zur Erforschung der zugrundeliegenden Wissenschaft genutzt werden.

Unser Ziel ist es, neue nanoskopische Materialien und Effekte wie verstärkte elektrische Oberflächenfelder an der Schnittstelle zwischen plasmonischen Partikeln und Elektrolyten zu entdecken und zu nutzen, um dringende energiebezogene Probleme zu lösen.

Biokatalysatoren und Hybridsysteme

Wir betrachten die Biologie als Inspiration und als hochfunktionales Werkzeug für das, was unsere synthetischen Materialien noch nicht können. Als Inspirationsquelle untersuchen wir, wie biologische Prozesse mit der hohen Präzision und Effizienz ablaufen, die wir mit unseren künstlichen Materialien zu erreichen hoffen. Auf diese Weise erhalten wir einen grundlegenden Einblick in die komplizierte Funktionsweise biologischer Vorgänge. Am wichtigsten für meine Arbeit sind Enzyme, die Katalysatoren, die in der Natur zur Durchführung chemischer Umwandlungen eingesetzt werden. Auf einer komplexeren Ebene befinden sich funktionelle Mehrkomponentensysteme wie lebende Zellen und kleine Organismen. Elektrochemie und Spektroskopie sind zwei wichtige Instrumente, mit denen wir die Struktur und Funktion dieser Systeme untersuchen können.

Auf einer eher angewandten Ebene können wir uns hoch entwickelte biologische Systeme zunutze machen, um Energieumwandlungen für uns durchzuführen. Durch den Einsatz anorganisch-biologischer Hybridsysteme können wir Energie mit einer höheren Effizienz umwandeln als mit biologischen oder synthetischen Materialien allein. So können wir zum Beispiel Halbleiter verwenden, um Licht zu absorbieren und photoangeregte Ladungen auf Mikroben zu übertragen, die diese Ladungen dann für thermodynamisch ansteigende Reaktionen nutzen.

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In-Situ-Spektroskopie

Die Spektroskopie, insbesondere wenn sie in-situ durchgeführt wird, ist für das Verständnis der zugrunde liegenden chemischen Prozesse, die bei unseren Reaktionen ablaufen, von entscheidender Bedeutung. Um neue Generationen von katalytischen Materialien zu entwickeln, müssen wir verstehen, was den derzeitigen Stand der Technik ausmacht. Zu diesem Wissen gehören Reaktionszwischenstufen, Ladungstransferwege, aktive Stellen und metastabile Phasen. Sobald dies entschlüsselt ist, kann ein rationaler Weg zu verbesserten Materialien entwickelt werden. Um die gewünschten Erkenntnisse zu gewinnen, wenden wir

etablierte Methoden auf neue Systeme an oder
entwickeln wir die Techniken, die erforderlich sind, um neue Erkenntnisse über die Materialien zu gewinnen, die uns interessieren.

Im Einzelnen nutzen wir In-situ- und Operando-Techniken wie Raman-, Infrarot- (IR), UV-Vis-NIR-Absorptions-, Transientenabsorptions- und Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) sowie Quarzkristall-Mikrowaagenanalysen (QCM).

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