Für die Herstellung vieler Chemikalien sind Katalysatoren unverzichtbar; sie beschleunigen chemische Reaktionen. Einige enthalten als Grundbaustein zum Beispiel Eisen. Die Elektronen jedes einzelnen Eisenatoms besitzen einen winzigen magnetischen Impuls, den sogenannten Spin. Treffen mehrere Eisenatome in einem Katalysator aufeinander, ist entscheidend, wie ihre Spins zueinander ausgerichtet sind. Ein Forschungsteam der Universität Wien konnte nun mithilfe von quantenmechanischen Berechnungen die Funktionsweise eines eisenbasierten Katalysators entschlüsseln, und zeigen, dass der Effekt der Superposition ihn stabilisiert und leistungsfähiger macht.
Die Synthese von Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff ist ein zentraler chemischer Prozess, der hauptsächlich zur Herstellung von Düngemitteln dient und derzeit rund 2 % des weltweiten Energieverbrauchs verursacht. Die Suche nach neuen, effizienteren Katalysatoren für die Ammoniakproduktion ist daher ein wichtiger Faktor, um den globalen CO2-Ausstoß zu verringern.
Ein vielversprechender Kandidat ist MIL-101(Fe), eine metallorganische Gerüstverbindung (metal-organic framework, MOF), bei der drei Eisenatome in Form eines Dreiecks um ein zentrales Sauerstoffatom angeordnet sind. Parallel zu experimentellen Arbeiten versuchen Forschende seit Jahren, die Struktur und Eigenschaften dieses Materials mittels Computersimulationen zu verstehen, um die Mechanismen seiner katalytischen Aktivität auf atomarer Ebene zu entschlüsseln.
Bisher nahm man an, dass die Spins der drei Eisenatome parallel zueinander ausgerichtet sind. Das Team um Leticia González von der Fakultät für Chemie und Georg Kresse von der Fakultät für Physik, beide Mitglieder des FWF-Exzellenzclusters "Materials for Energy Conversion and Storage (MECS )" , konnte nun zeigen, dass die Spins idealerweise antiparallel zueinander ausgerichtet sind. Da jedes Eisenatom zwei Nachbarn hat, lässt sich diese Bedingung jedoch nicht für alle drei gleichzeitig erfüllen: Zwei der drei Eisenatome können die Anordnung einhalten, das dritte jedoch steht immer parallel zu einem Nachbarn und antiparallel zum anderen. Die Physik bezeichnet dies als einen spin-frustrierten Zustand.
"Man kann sich das so vorstellen wie ein Setting von drei Personen, die gleichzeitig an einem runden Tisch Platz nehmen und jeder möchte direkt gegenüber eines anderen sitzen, doch das lässt sich nicht für alle gleichzeitig erfüllen. Das führt bei einer Person zu Frustration", erklärt Patrick Lechner, Erstautor der in Angewandte Chemie International Edition erscheinenden Publikation. Anders als in der klassischen Physik lassen sich solche Zustände mithilfe der Quantenmechanik dennoch "für alle Beteiligten zufriedenstellend" beschreiben: Alle möglichen Anordnungen liegen gleichzeitig in Form einer sogenannten Superposition vor. Die verschiedenen Spin-Konfigurationen existieren also gleichzeitig, und das Gesamtsystem wird nur dann korrekt erfasst, wenn man alle diese Möglichkeiten berücksichtigt. Dieses Prinzip erinnert an das berühmte Gedankenexperiment von Schrödingers Katze, die gleichzeitig lebendig und tot ist, bis der Zustand gemessen wird – ähnlich verhält es sich bei der Spin-Frustration. "Diese magnetische Frustration, die sich nur durch eine Überlagerung verschiedener Quantenzustände erklären lässt, stabilisiert die Struktur des Katalysators und ermöglicht eine besonders effiziente Wechselwirkung mit kleinen Gasmolekülen wie N2 und CO, was seine katalytische Aktivität erklärt", erläutert González.
Die neue Studie zu diesen dreieckigen Eisenclustern kann langfristig dazu beitragen, die Effizienz und damit die Leistungsfähigkeit solcher Katalysatoren zu steigern und damit den Weg zu einer nachhaltigeren Ammoniakproduktion zu ebnen.
Originalpublikation:
Patrick Lechner, Gaurab Ganguly, Michael J. Sahre, Georg Kresse, Johannes C. B. Dietschreit, Leticia González. Spin Frustration Determines the Stability and Reactivity of Metal-Organic Frameworks with Triangular Iron(III)-oxo Clusters. In Angew. Chem. Int. Ed. (2025)
DOI: 10.1002/anie.202514014