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.
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 Fe in molekularen Umgebungen
A02: Strukturdynamik von Eisenmolybdat-Katalysatoren
A03: Aktivitäts-Stabilitäts-Transport-Korrelationen von Eisen-Molybdat-basierten Katalysatoren
A04: Intermetallische Eisenverbindungen und komplexe Oxide
A05: Oxoferrate und Eisenoxidfluoride höherer Oxidationsstufen
B – (Pseudo-)Molekulare Umgebungen
B01: Vorhersage von Redoxpotentialen
B02: Eigenschaften erweiterter makrozylischer FeN4-Komplexe
B03: NMR-Spektroskopie offenschaliger Eisenverbindungen
B04: Magnetische Wechselwirkungen in Eisendimeren
B05: Operando-NMR und UV/Vis-Monitoring
B06: FeN4-Zentren in 3D-CNTs
B07: In situ-Multifrequenz-EPR
B08: FeN4-Interaktionen mit Clustern und Nanopartikeln
C – Metallische Umgebungen
C01: Maßgeschneiderte magnetische Eigenschaften durch interstitielle Defekte
C02: Magnetismus in Fe-basierten intermetallischen Verbindungen
C03: Tetragonalisierung von Fe-Massivlegierungen
C04: In situ-NMR-Spektroskopie eisenkatalysierter Reaktionen
C05: Selektive Alkynhydrogenierung
C06: Einfluss der Koordinationsumgebung auf die elektrochemische Stabilität
C07: Einfluss von Tetrelatomen als Liganden
C08: Elektronische Struktur und Redoxeigenschaften von Eisen
