Oberflächen von komplexen metallischen Mischkristallen atomar genau verstehen und designen will ein neuer Forschungsverbund.

Die Oberflächen von komplexen Mischkristallen aus fünf oder mehr Elementen versprechen viele wünschenswerte Eigenschaften, die unter anderem für die Energiewende bedeutend sind. Um aus ihnen in Zukunft leistungsstarke Elektrokatalysatoren entwickeln zu können, müssen diese Oberflächen zuerst auf atomarer Ebene genau verstanden und kontrolliert werden. Dieses Ziel verfolgt der neue Sonderforschungsbereich (SFB) 1625 „Atomarskaliges Verständnis und Design von multifunktionalen Mischkristalloberflächen mit komplexer chemischer Zusammensetzung“, den die Deutsche Forschungsgemeinschaft bewilligt hat. Der Verbund wird von Prof. Dr. Alfred Ludwig an der Ruhr-Universität Bochum koordiniert und zunächst für vier Jahre mit rund 9 Millionen Euro gefördert. „Der neue Sonderforschungsbereich ist eine weitere bedeutende Stärkung eines der profiliertesten Forschungsschwerpunkte sowohl der Ruhr-Universität als auch der Universitätsallianz Ruhr“, freut sich Prof. Dr. Martin Paul, Rektor der Ruhr-Universität Bochum.

Oberflächen auf atomarer Ebene verstehen

„Komplexe Mischkristalle – kurz CCSS für Compositionally complex solid solutions –, die fünf oder mehr metallische Elemente in einer einfachen Kristallstruktur enthalten, bieten konzeptionell einzigartige, vielversprechende Perspektiven in wissenschaftlichen und technologischen Bereichen, in denen die Oberfläche die Eigenschaften bestimmt“, erklärt Alfred Ludwig. Der SFB will CCSS als Materialdesignplattformen nutzen. Dazu wollen die Forschenden ein kombiniertes theoretisches und experimentelles Verständnis der CCSS auf atomarer Ebene gewinnen, da die besonderen Eigenschaften der CCSS auf der hohen Anzahl verschiedener polyelementarer aktiver Zentren auf der Oberfläche beruhen.

Im Fokus stehen die Oberflächenatomanordnungen, also die spezifischen Anordnungen der unterschiedlichen Oberflächenatome. Ihre statistische Verteilung bestimmt die Oberflächenzusammensetzung, und ihre Kenntnis ist für das Design von Zusammensetzung-Struktur-Aktivitäts-Beziehungen unerlässlich. Die Mitglieder des SFB wollen diese Anordnungen verstehen und kontrollieren – ihre Bildung, ihre Variation für verschiedene Systeme und Zusammensetzungen, ihre Veränderungen aufgrund experimenteller Bedingungen –, um sie für das Design ihrer Eigenschaften systematisch zu manipulieren.

Interdisziplinäres Team 

„Unser primäres Ziel ist nicht die direkte Entwicklung neuer Katalysatoren, sondern die Gewinnung grundlegender Erkenntnisse und die Erforschung neuer Möglichkeiten, die sich durch das Oberflächendesign von CCSS ergeben“, betont Alfred Ludwig. Im ersten Schritt will das Team Edelmetallschichten untersuchen, da ihre Oxidationsbeständigkeit die Identifizierung von Atomanordnungen erleichtert. Detaillierte Einblicke in die Abhängigkeit der Reaktionsmechanismen von den Atomanordnungen und das Verständnis der Oberflächenmetallurgie werden dann das Design multifunktionaler und nachhaltiger Elektrokatalysatoren ermöglichen. Das interdisziplinäre Team aus Material-, Oberflächen-, Datenwissenschaft, Physik und Chemie wird die Herausforderungen unter Verwendung von Hochdurchsatzmethoden in der atomistischen Simulation, der Synthese, der Charakterisierung, der elektrochemischen Untersuchung und mit tiefgehenden, atomarskaligen Experimenten angehen. Da Atomanordnungen elektrochemische Reaktionen auf der Ebene einzelner Atome bestimmen, werden sie durch Theorie und Experiment auf dieser Ebene untersucht. „Diese atomistische Sichtweise muss aber mit dem hochdimensionalen Raum der Zusammensetzungen und Eigenschaften kombiniert werden“, so Alfred Ludwig. „Mittels Materialinformatik werden wir alle Daten über Skalen und Forschungsbereiche integrieren, daten-gesteuerte Arbeitsabläufe etablieren, Wissen aus Daten extrahieren und in Wissensgrafen organisieren.“ Am SFB beteiligt sind Forschende der Ruhr-Universität Bochum, des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung in Düsseldorf, der Universität Duisburg-Essen, der Technischen Universität München und der Universität Kopenhagen in Dänemark.