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Fast alle unserer Alltagsgegenstände sind während ihrer Herstellung mit mindestens einem Katalysator in Kontakt gekommen, damit die Produktion kostengünstiger, umweltfreundlicher oder überhaupt erst möglich wird. Katalyse ist somit eine Schlüsseltechnologie der Chemie. Ihr Design auf der atomaren Ebene ist Ziel des Sonderforschungsbereichs/Transregios SFB/TRR 247 „Heterogene Oxidationskatalyse in der Flüssigphase“. Der SFB/TRR, beheimatet in der Universitätsallianz Ruhr, wurde nach einer erfolgreichen ersten Förderphase von der Deutschen Forschungsgemeinschaft ab 1. Juli 2022 für weitere vier Jahre verlängert. Die Sprecherschaft liegt in der zweiten Förderphase bei Prof. Dr. Kristina Tschulik, Inhaberin der Professur für Elektrochemie und nanoskalige Materialien der Ruhr-Universität Bochum (RUB), Co-Sprecher ist Prof. Dr. Stephan Schulz vom Institut für anorganische Chemie an der Universität Duisburg-Essen (UDE).

Gezieltes Design möglich machen

Bislang wurden neue Katalysatoren oft durch Versuch und Irrtum entdeckt. Im SFB/TRR 247 soll stattdessen ein rationales Design von kostengünstigen sowie hochaktiven und -selektiven Katalysatoren auf der Basis von Metallmischoxiden für selektive Oxidationsprozesse in der Flüssigphase entwickelt werden. „Ein wichtiger Aspekt ist dabei auch, seltene Edelmetalle durch leicht verfügbare und weniger teure Materialien zu ersetzen“, erklärt Sprecherin Kristina Tschulik. Dafür müssen die hochkomplexen chemischen Prozesse, die – im Fall der heterogenen Katalyse, bei der der Katalysator ein Feststoff ist – an der Katalysatoroberfläche ablaufen, besser verstanden werden.

Es stehen Oxidationsreaktionen im Vordergrund, in denen beispielsweise Sauerstoff aus der Luft durch den Einsatz katalytisch aktiver Mischmetalloxidpartikel aktiviert werden kann. Dabei widmet sich der SFB der heterogenen Katalyse in Flüssigkeiten – ein Prozess mit großem technischem Potenzial, dessen grundlegende Untersuchung aber eine große Herausforderung darstellt. „Hierbei werden ausgewählte Katalysatoren in zwei generellen Katalysebereichen untersucht, der thermischen Katalyse und der Elektrokatalyse, bei denen die zum Auslösen der Reaktion erforderliche Energie wahlweise durch Wärme oder durch elektrischen Strom bereitgestellt wird“, erläutert Stephan Schulz.

Die wissenschaftliche Vision des Konsortiums ist es, das grundlegende Verständnis katalysierter Oxidationsreaktionen an der Fest-Flüssig-Grenzfläche von Mischoxiden auf ein neues Niveau zu heben. Im Vergleich zur Gasphasenkatalyse an Metallen wird ein solches Verständnis durch eine höhere Komplexität in Struktur und Zusammensetzung auf beiden Seiten der Grenzfläche erschwert. Daher wurde eine dreistufige Forschungsstrategie entwickelt, die der Rolle der Realstruktur der Oxidoberfläche Rechnung trägt. Während der zweiten Förderphase liegt nun der Schwerpunkt auf der Identifikation der aktiven Zentren, dem Verständnis der darauf ablaufenden Reaktionsmechanismen und der Konvergenz von Experiment und Theorie. Die Struktur des SFB/TRR 247 vereint die für dieses Forschungsprogramm erforderlichen experimentellen und theoretischen Techniken aus Chemie, Physik und Ingenieurwissenschaften in drei Forschungsbereichen: Katalyse, Analyse und Synthese.