Forschung

Eine Erhöhung der spezifischen Oberfläche und eine Verkürzung von Diffusionswegen der Ladungsträger ist entscheidend für die Entwicklung leistungsvoller Materialien für Katalyse und Energiekonversion. Wir stellen nanostrukturierte und nanoporöse binäre und ternäre Oxide (z. B. SiO₂, TiO₂, SrTiO₃, LaMnO₃) sowie Kohlenstoffe in Form von dünnen Schichten, Nanopartikeln und Pulvern über nasschemische kolloidale Syntheserouten her. Dabei liegt der Fokus auf Templat-basierten Synthesenmesoporöser Materialien, der gezielten Einstellung von Porenform und -größe, Kontrolle von Dotierungsgrad und Mischkristallbildung zur Optimierung der ionischen Leitfähigkeit sowie der Stabilität von Oxiden unter reaktiven Bedingungen während katalytischer Anwendung.

Aktuell konzentrieren wir uns auf die Entwicklung nachhaltiger und skalierbarer (nasschemischer) Synthesemethoden sowie auf die Entwicklung neuer Materialien für die heterogene Katalyse.

In ternären Oxiden wie Perowskitoxiden bietet die kationische Oberflächensegregation bei hohen Temperaturen einen innovativen Ansatz zur Verbesserung katalytischer Eigenschaften. Bei der sogenannten Exsolution segregieren Metallkationen an die Oxidoberfläche und nukleieren dort zu Metallnanoteilchen. Diese Nanopartikel sind in der Oxidmatrix verankert und regenerieren sich durch Oxidations-Reduktions-Zyklen selbstständig ((Abbildung 2)) -eine elegante Lösung für bekannte Probleme wie Sintern und Vergiftung geträgerter Metallkatalysatoren.

Auf diesem Weg lassen sich nicht nur monometallische Nanoteilchen (z. B. Ni, Co, Cu), sondern auch bi- und trimetallische Systeme (FeNi, FeNiCo) sowie schaltbare Core-Shell-Systeme (FeOx@FeNi) herstellen. Durch gezielte Kontrolle von Temperatur und Gasatmosphäre können dabei Morphologie und Zusammensetzung (präzise) eingestellt werden. Solche Katalysatoren eignen sich beispielsweise für die nachhaltige Umwandlung von CO₂ in wertvolle Rohstoffe wie z.B. Methanol oder kurzkettige Alkane.

Aktuell entwickeln wir neue Strategien zur gezielten Exsolution von Metallnanoteilchen aus Oxidnanostrukturen mit dem Ziel, Struktur, Zusammensetzung und Dynamik exsolvierter Nanopartikel präzise zu kontrollieren und leistungsfähige Katalysatoren für energie- und klimarelevante Reaktionen zu realisieren

Wir untersuchen Struktur-Eigenschafts-Beziehungen nanostrukturierter anorganischer Materialien an Großgeräten, vorrangig mittels Röntgen- und Neutronen-Kleinwinkelstreuung (SAXS/SANS), aber auch durch Röntgendiffraktion (XRD) und Röntgenabsorptionspektroskopie (XANES/EXAFS). Ein (besonderer) Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung multidimensionaler in-situ-Methoden (d. h. der simultanen Kombination mehrerer Analysenmethoden) sowie entsprechender Probenumgebungen zur Charakterisierung nanoporöser Materialien und geträgerter Katalysatoren bei hohen Temperaturen und unterschiedlichen Gasatmosphären. Darüber hinaus verfügen wir über Erfahrung in der Charakterisierung nanoporöser Kohlenstoffmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien sowie von Polymeren und Polymer-Nanokompositen