Woran forscht das MPI CEC?

Unser Ziel am Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion ist es, ein universelles Verständnis über die verschiedenen Bereiche der Katalyse - molekulare, biologische und Grenzflächenkatalyse - zu erreichen. Wir wollen die Entstehung und Funktion aktiver Zentren von Katalysatoren vollumfänglich verstehen und fokussieren uns dabei auf die Untersuchung einer begrenzten Anzahl chemischer Umwandlungsprozesse, die für eine Zukunft mit einem "defossilisierten" Energiesystem eine immens wichtige Rolle spielen. Unser Fokus auf die wichtigsten chemischen Reaktionen und deren Erforschung soll ein System von nachhaltigen Prozessen bestimmen, die für die Energiewende erforderlich sind. Anvisierte Einsatzbereiche sind unter anderem Speicherung und Transport von erneuerbarem Strom (Wasserstoff und seine Transportformen), Kraftstoffe für die Mobilität und Materialien für die chemische Industrie.

Zu den chemischen Reaktionen, an denen wir gemeinsam forschen und die von allgemeinem Interesse sind, zählen die Erzeugung von Wasserstoff (Elektrokatalyse, Dehydrierungen), die Umwandlung von Ammoniak und Methanol in transportable Formen sowie eine Reihe von Hydrierungsreaktionen für die Anwendungen grünen Wasserstoffs. Die Umwandlung von Kohlendioxid (CO₂) und Biomasse werden ebenso untersucht wie neuartige Konzepte zur Rationalisierung von mehrstufigen Umwandlungen, um Energie und Ressourcen zu sparen. Unsere Forschung konzentriert sich auf zwei ausgewählte Schlüsselherausforderungen: Die erste besteht darin, die Struktur der katalytisch aktiven Zentren unter Betriebsbedingungen zu definieren, einschließlich ihrer dynamischen Umwandlungen und Wechselwirkungen mit ihrer Umgebung. Die zweite Herausforderung besteht darin, eine Strategie zu identifizieren, die den Übergang von Edelmetallen zu Nicht-Edelmetallen als Komponenten der aktiven Zentren ermöglicht.

Ein Schlüsselelement im Profil des Instituts ist der Wunsch starke Kompetenzen auf dem Gebiet der molekularen Katalyseforschung und der Grenzflächenkatalyse unter einem Dach zu vereinen. Die gute Zusammenarbeit zwischen diesen klassisch segmentierten Wissenschaftszweigen ist ein entscheidendes Element unserer gemeinsamen Mission.

Am MPI CEC nehmen wir an, dass aktive Zentren in funktionierenden Katalysatoren aus dynamischen Restrukturierungen eines aktiven Materials hervorgehen. Dies gilt sowohl für Moleküle mit austauschbaren Liganden als auch für Oberflächen von Festkörpern, die durch eine gehemmte Keimbildung keine geordnete stabile Phase erreichen und somit frustrierte Phasenübergänge durchlaufen.

Betrachtet man den aktuellen Stand der Technik, wird deutlich, dass diese Herausforderungen maßgeschneiderte methodische Entwicklungen erfordern. Unsere Forschung zielt darauf ab, Methoden der synthetischen Chemie und der Funktionsanalyse zu entwickeln, um die oben genannten Ziele zu erreichen. Wir entwickeln am Institut keine Anwendungsmöglichkeiten, sondern führen problemorientierte Forschung durch. Die Antworten auf unsere Fragen liegen für uns im Bereich der Wissenschaft. Technologische Lösungen werden nicht direkt am Institut entwickelt, wir legen jedoch sehr viel Wert auf externe Kooperationen und den Dialog mit Industrie und der Technologiebranche. So können kritische Fragestellungen als Motivation für weitere Forschungen identifiziert und wissenschaftliche Erkenntnisse anhand eines realen technologischen Umfeldes verifiziert werden.