SFB 1487:  Eisen, neu gedacht!

• Fachliche Zuordnung: Chemie ; Materialwissenschaft und Werkstofftechnik ; Physik ; Wärmetechnik/Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Webseite: Zur Homepage
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 443703006

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.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. 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.

• DFG-Verfahren: Sonderforschungsbereiche

Laufende Projekte

• A01 - Ab initio-Modellierung von Fe in molekularen Umgebungen, an der Oberfläche und im Festkörper (Teilprojektleiterin Valenti, Maria Roser )
• A02 - Einsatz gekoppelter in situ- und operando- Spektroskopien sowie der Röntgenbeugung auf die Strukturdynamik von Eisenmolybdat-Katalysatoren für die selektive Oxidation von Alkoholen (Teilprojektleiterinnen / Teilprojektleiter Albert, Barbara ;  Hess, Christian ;  Kramm, Ulrike Ingrid )
• A03 - Aktivitäts-Stabilitäts-Transport-Korrelationen von Eisen-Molybdat-basierten Katalysatoren bei der oxidativen Dehydrierung von Ethanol (Teilprojektleiter Dreizler, Andreas ;  Etzold, Bastian )
• A04 - Intermetallische Eisenverbindungen und komplexe Oxide: Bulk-Eigenschaften und oxidierte Oberflächen (Teilprojektleiterin Möller, Angela )
• A05 - Explorative Synthese von Oxoferraten und Eisenoxidfluoriden in höheren Oxidationsstufen (Teilprojektleiter Kraus, Florian )
• B01 - Maßgeschneiderte Kraftfelder für Eisenkomplexe zur präzisen Vorhersage von Redoxpotentialen (Teilprojektleiterin Krewald, Vera )
• B02 - Synthese und physikalische/katalytische Eigenschaften erweiterter makrozyklischer FeN4-Komplexe (Teilprojektleiter Plenio, Herbert )
• B03 - Elektronische Struktur und Reaktivität offenschaliger Eisenverbindungen durch Lösungs-NMR-Spektroskopie (Teilprojektleiter Enders, Markus )
• B04 - Vorhersage und Analyse der magnetischen Wechselwirkungen in Eisendimeren (Teilprojektleiterin Krewald, Vera )
• B05 - Kombinierte operando NMR- und UV-Vis-spektroskopische Beobachtung Eisen-katalysierter Kreuzkupplungs-Reaktionen (Teilprojektleiterin Thiele, Christina Marie )
• B06 - Kontrollierter Einbau von katalytisch aktiven Eisen/Stickstoff Zentren in N-dotierte Kohlenstoff-nanoröhren für die Elektrokatalyse (Teilprojektleiter Schneider, Jörg J. )
• B07 - In situ- und Multifrequenz-EPR für FeNC-Materialien und Modellkomplexe (Teilprojektleiter Schnegg, Alexander )
• B08 - Einfluss von Clustern und Nanopartikeln auf den elektronischen Zustand des Eisens in Single-Atom-Catalysts der Gruppe FeNC (Teilprojektleiterin Kramm, Ulrike Ingrid )
• C01 - Maßgeschneiderte magnetische Eigenschaften von Eisen durch interstitielle Defekte im Nicht-Gleichgewicht in dünnen Schichten (Teilprojektleiter Alff, Lambert )
• C02 - Wechselspiel zwischen Magnetismus und kristallinen Umgebungen in Fe-basierten intermetallischen Verbindungen (Teilprojektleiter Zhang, Ph.D., Hongbin )
• C03 - Tetragonalisierung von Massivlegierungen auf Fe-Basis mit hoher Defektpopulation (Teilprojektleiter Gutfleisch, Oliver )
• C04 - In situ-Untersuchungen eisenkatalysierter Reaktionen mit Hochfeld-NMR-Spektroskopie (Teilprojektleiter Buntkowsky, Gerd )
• C05 - Einfluss von Promotoren und Vergiftung auf (legierte) Eisen-Nanopartikel für die selektive Hydrierung von Alkinen zu Alkenen (Teilprojektleiter Rose, Marcus )
• C06 - Einfluss der Koordinationsumgebung von Fe-basierten Materialien auf die elektrochemische Stabilität (Teilprojektleiter Ledendecker, Marc )
• C07 - Einfluss von Tetrel-Atomen als Liganden auf das optische, magnetische und Redox-Verhalten von Fe (Teilprojektleiter Schäfer, Rolf )
• C08 - Untersuchung der elektronischen Struktur und Redoxeigenschaften von Eisen in verschiedenen chemischen Umgebungen mittels Valenz- und Kernniveauspektroskopie (Teilprojektleiter Hofmann, Jan Philipp )
• S - Synthese von Referenzsubstanzen (Teilprojektleiterinnen Albert, Barbara ;  Hofmann, Kathrin )
• Z - Zentrale Aufgaben des Sonderforschungsbereichs (Teilprojektleiterin Kramm, Ulrike Ingrid )
• Ö - Öffentlichkeitsarbeit und Outreach (Teilprojektleiter Prechtl, Markus )

• Antragstellende Institution: Technische Universität Darmstadt
• Beteiligte Hochschule: Goethe-Universität Frankfurt am Main; Johannes Gutenberg-Universität Mainz; Philipps-Universität Marburg; Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg
• Beteiligte Institution: Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion (CEC)
• Sprecherin: Professorin Dr. Ulrike Ingrid Kramm