Welchen Katalysator braucht man, um eine bestimmte chemische Reaktion möglichst effizient ablaufen zu lassen? Die Vielfalt an Möglichkeiten ist viel zu groß, um alle auszuprobieren. Längst verwendet man daher Computermodelle, um passende Katalysatoren zu finden. Das funktioniert aber nur, wenn diese Modelle auf präzisen, zuverlässigen Daten aufbauen können – und hier liegt derzeit noch das größte Problem. Viele Daten, die man für diese computergestützte Suche bräuchte, wurden bisher noch nie mit ausreichender Genauigkeit gemessen.

Jiří Pavelec vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien möchte das nun ändern: Er will einen Roboter entwickeln, der zehntausende materialwissenschaftliche Messungen pro Jahr durchführen kann. Die daraus entstehende Datenbank könnte den Weg zu besseren Katalysatoren und effizienteren chemischen Technologien ebnen. Für dieses Projekt erhält Jiří Pavelec nun einen ERC Starting Grant in Höhe von rund 2,5 Millionen Euro.

Computergenerierte Datenbanken: oft zu ungenau

„Es gibt heute Datenbanken, in denen man wichtige Materialparameter nachschlagen kann, zum Beispiel die Adsorptionsenergie, die angibt, wie stark die Bindung zwischen einem Molekül und einer Materialoberfläche ist, auf der es haftet“, erklärt Jiří Pavelec. „Doch das sind großteils Werte, die mit Computersimulationen berechnet wurden, keine echten Messergebnisse. Und leider sind diese Berechnungen oft nicht exakt genug.“

Kleine Abweichungen vom wahren Wert können bereits dazu führen, dass die Ergebnisse völlig unbrauchbar werden: „Eine Unsicherheit von 0,2 Elektronenvolt bei der Adsorptionsenergie ist sehr gering, kann aber schon bewirken, dass sich die Reaktionsgeschwindigkeit um einen Faktor 2000 ändert“, rechnet Pavelec vor. Auch der beste Machine-Learning-Algorithmus kann keine neuen Katalysatoren zuverlässig finden, wenn er mit unpräzisen Daten gefüttert wird.

Um Größenordnungen mehr messen als bisher

Im Prinzip kann man diese Daten sehr präzise messen – darauf ist das Forschungsteam am Institut für Angewandte Physik der TU Wien seit Jahren spezialisiert. Allerdings sind auch diese Messungen zeitaufwändig. Sie werden typischerweise im Ultrahochvakuum durchgeführt, unter extrem sauberen Bedingungen und bei exakt definierten Temperaturen. Mit spektroskopischen und oberflächenphysikalischen Methoden wird untersucht, wie Moleküle an Materialoberflächen binden, deren atomare Struktur präzise definiert ist.

„Wenn wir beim Design von Katalysatoren wirklich einen großen Schritt vorankommen wollen, dann müssen wir diesen Prozess um Größenordnungen beschleunigen“, sagt Jiří Pavelec. Und so kam er auf die Idee, den Prozess zu automatisieren. „Viele der Komponenten, die man dafür braucht, werden heute bereits in der Halbleiterindustrie eingesetzt“, sagt Pavelec. „Wir werden darauf aufbauen und ein autonomes System entwickeln, das in kurzer Zeit viele verschiedene Proben zuverlässig untersuchen und auswerten kann.“

Die entscheidende Herausforderung besteht darin, die Messungen genauso präzise zu halten und gleichzeitig ihre Zahl drastisch zu erhöhen – und das alles im Ultrahochvakuum, mit Kontrolle auf atomarer Ebene und bei Temperaturen von etwa −250 °C bis 1000 °C.

Auf diese Weise könnte der Roboter jene experimentelle Datenbank aufbauen, die der Katalyseforschung bisher fehlt – und damit ein zuverlässiges, gezieltes Design neuer Katalysatoren in greifbare Nähe rücken.

Jiří Pavelec

Jiří Pavelec studierte Technische Physik an der Technischen Universität Brünn und promovierte 2019 mit Auszeichnung an der TU Wien bei Ulrike Diebold über Oberflächenchemie und die Adsorption von Kohlendioxid auf Magnetit.

Nach einer Postdoc-Position und einer Tätigkeit als Universitätsassistent ist er seit 2023 Senior Scientist am Institut für Angewandte Physik der TU Wien. Seine Forschung verbindet die Entwicklung wissenschaftlicher Instrumente mit der Untersuchung atomar definierter Modellkatalysatoren. Mit seinem ERC Grant „RoboCat“ will er nun sein Team erweitern und die experimentelle Grundlage für die künftige computergestützte Entwicklung von Katalysatoren schaffen.

Rückfragehinweis

Dr. Jiří Pavelec
Institut für Angewandte Physik
Technische Universität Wien
+43 1 58801 13479
jiri.pavelec@tuwien.ac.at

Text: Florian Aigner