Lebende Bibliotheken intermetallischer Superatome

• Antragsteller: Professor Dr. Roland A. Fischer
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Anorganische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 434443898

Intermetallische Materialien aus gut verfügbaren Metallen mit unterschiedlichen Eigenschaften (M/E) könnten industrielle Katalysatoren ersetzen, die auf seltenen und teuren Metallen beruhen. Um diese Möglichkeit zu realisieren, ist ein Atom-präzises/-effizientes Design der Katalysatoren  1 nm erforderlich, wobei jedes Metallatom ‚zählt‘. Wir entdeckten eine neue Weise nach der ‚lebende Bibliotheken‘ metastabiler Ligand-geschützter Cluster [MaEb](R)n erhalten werden können. Diese intermetallischen ‚Superatome‘ sind molekulare Gegenstücke der festen M/E-Materialien. Der elektronische Zustand, z.B. offene bzw. geschlossene Superatom-Schale, kontrolliert Stabilität und Reaktivität. Der Ausdruck ‚lebend‘ hebt die Eigenschaften einer sich entwickelnden Bibliothek hervor, welche durch die Dynamik der Cluster-Mischung, der Wachstumsspezies und der Additive gegeben sind. Die Verteilung der Cluster reagiert sehr empfindlich auf Störungen, einschließlich der Wechselwirkung mit Reaktanden, die an der Oberfläche der Cluster gebunden oder umgesetzt werden können. Die Hypothese ist nun, dass die Bibliotheken populiert sind mit in Beziehung zueinander stehenden Clustern, mit vorübergehenden und hochreaktiven und ebenso mit leichter zugänglichen aber weniger reaktiven. Diese Portfolios werden generiert durch multivariate Sätze von Ausgangskomponenten und Bedingungen für die Evolution der Bibliothek. Diese Faktoren beziehen sich auf Netzwerke von Nukleation-, Wachstums- und Abbaureaktionen, auf die Assoziation oder Dissoziation von Additiven, auf Metallatom-Platz-Aktivierung (z.B. durch Entschützen) und auf Reaktionen mit kleinen Molekülen auf der Cluster-Oberfläche. Der zentrale Ansatz des Projektes ist die Untersuchung von (Serien) von Bibliotheken, anstelle eines primären Abzielens auf der Isolation von spezifischen Clustern und einer nachfolgenden Reaktivitäts-Untersuchung. Die Strategie des parallelen Testens ermöglicht uns vielmehr den Umgang mit Chemischer Komplexität in direkter Weise. Die Bibliotheken gestatten uns die effiziente Untersuchung von Elementarschritten für die Transformation von kleinen Molekülen an Superatomen. Wir werden dazu Methoden für multifaktorielles Experiment-Design einsetzen und die Bibliotheks-Evolution mittels Massenspektrometrie in Kombination mit theoretischer Modellierung verfolgen. Risiken für den Erkenntnisgewinn entstehen aufgrund der subtilen Kontrolle der Cluster-Eigenschaften im nichtskalierenden Größenregime (Größe, Struktur, Isomere, Fluktuation, M/E Fehlordnung, Stabilität). Die Reaktions-Kinetik und die Mechanismen können bisher nicht vorhergesagt werden: daher müssen wir mit der hohen Empfindlichkeit der Bibliotheken gegenüber den Komponenten und den Bedingungen umgehen, was zu einer Diversität von Spezies führt, die es zu analysieren gilt. Jedoch, der hohe Erwartung an Erkenntins-Gewinn ergibt sich exakt aus diesem besonderen Chemischen Reichtum und wir sehen eine neue ‚Superatom-Chemie für die Katalyse‘ voraus.

• DFG-Verfahren: Reinhart Koselleck-Projekte