Eisen, neu gedacht!
Eisen ist ein vielseitiges, allgegenwärtiges, günstiges und nachhaltiges Übergangsmetall mit einzigartigen Charakteristika und hoher Reaktivität. Änderungen in der Umgebung modulieren die intrinsischen Eigenschaften. Häufig sind zahlreiche Oxidationsstufen und Spinzustände leicht erreichbar. Daraus können sich einerseits ungünstige oder unerwünschte Eigenschaften ergeben, andererseits kann eine Änderung der Umgebung zur gezielten Verbesserung der Reaktivität genutzt werden. Die SFB-Initiative “Iron, upgraded!” zielt darauf ab, Eisen in seinen Verbindungen durch präzise Manipulation der chemischen Umgebung so zu beeinflussen, dass es ein selektives, vielseitiges und wertvolles Substitut für seltene, giftige oder kritische Metalle wird. Drei Arbeitsphasen sind geplant:(1) Eisen verstehen, (2) Eisen tunen, (3) Eisen optimieren. In den ersten vier Jahren werden grundlegende Eigenschaften von Eisen und ihre Abhängigkeit von der chemischen Umgebung untersucht. In der zweiten Phase werden Strategien für den gezielten Zuschnitt der Koordinationssphäre entwickelt und getestet. In der dritten Phase wird Eisen im Hinblick auf spezifische Eigenschaften, erhöhte Stabilität, Selektivität und Reaktivität optimiert, und neue oder verbesserte Konzepte werden auf andere 3d-Elemente übertragen.
Zweite Förderperiode
Der Sonderforschungsbereich 1487 „Eisen, neu gedacht!“ wird zum 1.7.2026 weitergefördert!
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Thematische Ausrichtung
Wir untersuchen Eisen in drei verschiedenen Umgebungen: oxidisch, (pseudo-)molekular und metallisch und bestimmen die resultierenden inhärenten Eigenschaften. Wir nutzen den Magnetismus, verschiedene Spektroskopiearten und katalytische Reaktionen, um den Einfluss der Umgebung zu verstehen. Aus dieser breit angelegten Betrachtung und gemeinsamen Interpretation werden spezifische und grundlegende Schlussfolgerungen abgeleitet. Langfristig soll so der Einsatz von Eisen auf ein breites Spektrum an Anwendungen erweitert werden, in denen Eisen und seine Verbindungen diverse Rollen übernehmen: als Katalysator, Redoxvermittler oder struktureller Promotor, in magnetischen Materialien oder Funktionsmaterialien. Um das Zusammenspiel der intrinsischen Eigenschaften, Selektivität, Reaktivität und Stabilität besser zu verstehen, sind spezifische und genaue analytische Methoden von zentraler Bedeutung. Ein besonderer Fokus liegt daher auf der Anwendung und Weiterentwicklung einzigartiger und gekoppelter in situ/operando-Methoden sowie neuer theoretischer Ansätze.
Warum jetzt?
Das Thema, Eisen aufwerten zu wollen, ist zeitgemäß und sehr relevant. Viele chemische Prozesse und Materialien basieren auf seltenen, teuren, giftigen oder umweltschädlichen Metallen wie Ruthenium, Platin, Palladium oder Blei. Es gibt einen dringenden Bedarf an innovativen, nachhaltigen Materialien und Prozessen. Beispielsweise werden günstige Katalysatoren für die Sauerstoffreduktionsreaktion in der Brennstoffzelle benötigt. Eingebettet in die richtige Umgebung ist Eisen ein idealer Kandidat für diese und andere Anwendungen. In dem SFB Iron, upgraded! erfolgt ein grundlagenorientierter Ansatz, um diese Vision zu erreichen.
Projekte – Schnelleinstieg
A – Oxidische Umgebungen
A01: Ab initio-Modellierung von Eisen in molekularen, Oberflächen- und Volumen-Umgebungen
A02: Struktur-Dynamik von Eisenmolybdat-Katalysatoren für Alkohol-Selektiv-oxidationen mittels in situ- und operando-Spektroskopie und -Beugung
A03: Aktivitäts-Stabilitäts-Transport-Korrelationen von Eisen-Molybdat-basierten Katalysatoren bei der oxidativen Dehydrierung von Ethanol
A04: Intermetallische Eisenverbindungen und komplexe Oxide: Bulk-Eigenschaften und oxidierte Oberflächen
A05E: Explorative Synthese von Oxoferraten und Eisenoxidfluoriden in höheren Oxidationsstufen
A06N: Ortsaufgelöste operando-Charakterisierung zur Abstimmung von eisenbasierten Katalysatoren auf oxidative Dehydrierungen
A07N: Untersuchung der Auswirkungen räumlicher Katalysatormodifikationen und Elementabstimmung auf Fe-basierte ODH-Katalysatoren mittels XAS
A08N: Multimodale Charakterisierung von Eisenmolybdat-Katalysatoren: Von lokalen Strukturen hinzu zu einer dynamischen Optimierung unter ODH-Bedingungen
B – (Pseudo-)Molekulare Umgebungen
B01: Maßgeschneiderte Kraftfelder für Eisenkomplexe zur präzisen Vorhersage von Redoxpotentialen
B02: Synthese und physikalische/katalytische Eigenschaften erweiterter makrozyklischer FeN4-Komplexe
B03: Verständnis der elektronischen Struktur und Reaktivität offenschaliger Eisenverbindungen mittels Lösungs-NMR-Spektroskopie
B04: Vorhersage und Analyse der magnetischen Wechselwirkungen in dinuklearen Eisenkomplexen
B05: Kombinierte Operando-NMR- und UV-Vis-spektroskopische Verfolgung von Fe-katalysierten Kreuzkupplungsreaktionen
B06E: Kontrollierter Einbau von katalytisch aktiven Eisen/Stickstoff Zentren in N-dotierte Kohlenstoffnanoröhren für die Elektrokatalyse
B07: In situ- und Mehrfrequenz-EPR für FeNC-Materialien und Modellkomplexe
B08: Einfluss von Clustern und Nanopartikeln auf den elektronischen Zustand des Eisens in Single-Atom-Catalysts der Gruppe FeNC
B09N: Aufklärung des Einflusses von Eisenoxid-Nanoclustern auf die katalytische Leistung an FeN4-Zentren – eine computergestützte Studie
B10N: NMR Hyperpolarisation mit Eisenkatalysatoren
C – Metallische Umgebungen
C01: Design der magnetischen Eigenschaften von Eisendünnschichten durch Einstellung von interstitiellen Defekten im Nicht-Gleichgewicht
C02: Wechselwirkung zwischen Magnetismus und kristallinen Umgebungen in intermetallischen Materialien auf Eisenbasis
C03: Tetragonalisierung von Massivlegierungen auf Fe-Basis mit hoher Defektpopulation
C04E: In situ Untersuchungen eisenkatalysierter Reaktionen mit Hochfeld-NMR-Spektroskopie
C05: Einfluss von Promotoren und Katalysatorgiften auf (bimetallische) Eisen-Nanopartikel für die selektive Hydrierung von Alkinen zu Alkenen
C06: Einfluss des Koordinationsumfelds eisenbasierter Materialien auf deren elektrochemische Stabilität
C07: Einfluss von Tetrel-Atomen als Liganden auf das optische, magnetische und Redox-Verhalten von Fe
C08: Untersuchung der elektronischen Struktur und Redoxeigenschaften von Eisen in verschiedenen chemischen Umgebungen mittels Valenz- und Kernniveauspektroskopien
C09N: Chemisches Potential als Leitgröße zur Einstellung der Reaktivität des Eisens in der Katalyse
