Katalysatoren, die chemische Reaktionen beschleunigen, sind für die Herstellung vieler Chemikalien unerlässlich. Einige dieser Katalysatoren basieren auf Eisen, dessen Atome jeweils einen winzigen magnetischen Impuls, den Spin, besitzen. Die Ausrichtung der Spins zueinander ist entscheidend für die Funktionsweise des Katalysators. Ein Forschungsteam der Universität Wien hat nun durch quantenmechanische Berechnungen entschlüsselt, wie ein eisenbasierter Katalysator funktioniert, und gezeigt, dass der Superpositions-Effekt ihn stabilisiert und leistungsfähiger macht.
Die Synthese von Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff ist ein zentraler Prozess, der hauptsächlich Düngemittel hervorbringt. Dieser Prozess ist für etwa 2 % des weltweiten Energieverbrauchs verantwortlich. Daher ist die Suche nach neuen, effizienteren Katalysatoren für die Ammoniaksynthese ein wichtiger Schritt zur Reduzierung des globalen CO2-Ausstoßes.
Ein vielversprechender Kandidat ist die metallorganische Gerüstverbindung (MOF) MIL-101(Fe), bei der drei Eisenatome dreieckig um ein Sauerstoffatom angeordnet sind. Seit Jahren versuchen Forschende, die atomare Struktur und katalytische Aktivität dieses Materials mittels Computersimulationen zu verstehen, um seine Funktionsweise zu entschlüsseln.
Spins im Widerspruch: Wie sich Quantenphysik auf Katalysatoren auswirkt
Bisher ging man davon aus, dass die Spins der drei Eisenatome im Katalysator parallel ausgerichtet sind. Das Forschungsteam um Leticia González und Georg Kresse von der Universität Wien hat nun aber nachgewiesen, dass die Spins idealerweise antiparallel zueinander stehen. Da jedes der drei Eisenatome zwei Nachbarn hat, kann diese Bedingung nicht gleichzeitig für alle drei erfüllt werden. Zwei Atome können diese Anordnung einhalten, während das dritte immer parallel zu einem Nachbarn und antiparallel zum anderen steht. Diesen Zustand nennt die Physik spin-frustriert.
Der Frust der Atome: Wie Quantenphysik Katalysatoren verbessert
„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 Erstautor Patrick Lechner. Solche Zustände lassen sich mithilfe der Quantenmechanik dennoch „für alle Beteiligten zufriedenstellend“ beschreiben, indem man alle möglichen Anordnungen gleichzeitig in einer sogenannten Superposition betrachtet. Die verschiedenen Spin-Konfigurationen existieren also gleichzeitig, und das Gesamtsystem wird nur dann korrekt erfasst, wenn man all 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 über diese dreieckigen Eisencluster könnte langfristig dazu beitragen, die Effizienz und Leistung solcher Katalysatoren zu verbessern und somit eine nachhaltigere Ammoniakproduktion zu ermöglichen.
Quelle
Publikation
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
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202514014