Trendbericht Festkörperchemie und Materialforschung 2026

Wie wichtig Festkörperchemie und Materialforschung sind, unterstrich der Chemienobelpreis 2025, den Susumu Kitagawa, Richard Robson und Omar Yaghi für die Entwicklung metallorganischer Gerüstverbindungen erhielten. Dieser Bericht blickt auf neue funktionale Materialien, Synthesen, Reaktionsmechanismen sowie intermetallische, Cluster- und Zintl-Verbindungen. Außerdem werden unter anderem Energie- und Katalysatormaterialien sowie optoelektronische Verbindungen für Photovoltaik besprochen.

MOFs, COFs und poröse Materialien

Die mit dem Nobelpreis für Chemie 2025 ausgezeichnete Materialklasse der metallorganischen Gerüstverbindungen (MOFs) revolutionierte die Festkörperchemie. Diese porösen, definierten Strukturen gewinnen etwa Wasser aus der Wüstenluft, katalysieren chemische Reaktionen, scheiden Gase wie CO₂ ab und speichern diese.¹⁾ Selektivität sowie Reaktivität der Gas- und Molekülspeicherung und -trennung hängen von vielen Faktoren ab, etwa den Metallkationen und organischen Linkermolekülen sowie den daraus resultierenden Struktur- und chemischen Eigenschaften. Das ist Gegenstand vieler Untersuchungen:

Wie Fluorgruppen Linkermoleküle beeinflussen, untersuchte Ruschewitz in einer Konzeptstudie an publizierten MOFs. Ihm zufolge verringern sie die thermische Stabilität und verbessern die Gassorption. Der Effekt hängt jedoch vom Linkermolekül und der Position des Fluoratoms ab, denn diese beeinflussen beispielsweise den Torsionswinkel.²⁾

Fröba und Mitarbeitende studierten systematisch das Sorptionsverhalten von Wasser in MOFs an isoreticularen MOF-74-Analoga mit den Metallkationen Mg und Ni sowie unterschiedlichen Porengrößen und funktionellen Gruppen.³⁾ Dabei identifizierten sie mehrere Faktoren, die das Sorptionsverhalten beeinflussen, darunter Porengröße und -volumen, Metallzentren, die die Hydrophilie des MOF stark beeinflussen, polare oder wasserabweisende funktionelle Gruppen oder hydrophobe Oberflächenhydration.

Die Gruppe um Janiak und Yücesan identifizierte TUB41 als Material für selektive Gasabsorption, das bei pH-Werte von 1 bis 11 chemisch und thermisch stabil ist. Es ließe sich für Gasabscheidung, photokatalytische Wasserspaltung oder CO₂-Reduktion nutzen.⁴⁾ Die kleinen Poren schließen Gase mit großem kinetischem Durchmesser wie N₂ und Ar aus und absorbieren etwa CO₂ und H₂O.

In einer deutsch-französisch-belgischen Kooperation zwischen Stock und Marin sagten Monte-Carlo-Simulationen und DFT-Rechnungen CAU-11(Al) als ideale Verbindung zur selektiven Acetonabscheidung vorher, was Experimente bestätigten.⁵⁾ Wie die Rechnungen zeigen, sind Porenbegrenzung und spezifische Adsorptionsstellen dabei wichtig. Luftfeuchtigkeit beeinflusst hierbei nicht die Acetonadsorption.

Manche MOFs und verwandte Verbindungen ändern durch externe Stimuli ihre Struktur. Wie Schneemann und Henke mit koreanischen Partnern zeigten, lassen sich die Porendimensionen in zeolithartigen Gerüstverbindungen (zeolitic imidazolate frameworks, ZIFs) ändern, indem diese Gastmoleküle aufnehmen oder der Druck von außen erhöht wird (externe Stimuli). Für gis-ZIF-1 basiert der Mechanismus auf einer Kirigami-Tessellations-Faltmechanik.⁶⁾ Dabei wirken die Imidazolat-Linker wie Scharniere und kontrollieren die Porendimension.

Wie Kieslich zusammen mit Bunzen und Fischer sowie italienischen Partnern zeigte, beeinflussen Oberflächenbeladungen die Reaktionsfähigkeit von MOFs mit flexibler Struktur auf externe Stimuli wie Temperatur, Adsorption von Gastmolekülen oder Druck. Dies wurde mit einer Beladung von Zn₂(BME-bdc)₂ mit Pt- und SiO₂-Nanopartikeln untersucht.⁷⁾ Dabei wird die Struktur mit den großen Poren stabilisiert. Durch ein besseres Verständnis der Mechanismen lassen sich flexMOFs mit katalytischen Eigenschaften durch die Beladung in hybride Materialien umwandeln.

Die Katalyseeigenschaften des Pd-beladenen MOFs MIL-101(Cr) ermittelte die Arbeitsgruppe Slabon zusammen mit Martín-Matute. Die Forschenden setzten den Katalysator bei der Synthese von Benzoesäurederivaten aus Aryliodiden ein und nutzten als Carbonylquelle CO, das zuvor durch elektrokatalytische Reduktion aus CO₂ gewonnen wurde.⁸⁾ Wie Auslaugungstests zeigten, eignet sich MIL-101(Cr)-NH₂ hier besonders gut als Pd-Träger, und der aktive heterogene Katalysator ließ sich bis zu zehnmal regenerieren und wiederverwenden.

MOFs lassen sich nicht nur selbst in der Katalyse nutzen, sondern auch als Edukte zur Synthese eines Ni₃Fe-Katalysators, wie Zobel und Mitarbeitende zeigen.⁹⁾ Durch die Zersetzung des bimetallischen MOFs Ni₃Fe(BDC)(PNO)_x entsteht ein Katalysator mit katalytisch hochreaktiven FeNi-Nanopartikeln in einer kohlenstoffhaltigen Matrix. So kann auf ein Trägermaterial verzichtet werden, was zu einem Katalysator mit hoher Beladung führt. Die Bildung einer Fe₂NiO₄-Spinellphase auf der Partikeloberfläche stabilisiert die Umwandlung und Produktselektivität bei der CO₂-Methanisierungsreaktion.

Auch für optische Anwendungen eignen sich MOFs und verwandte Materialien. Um organische Lichtemitter in LEDs einzusetzen, muss eine Matrix sie stabilisieren – dafür eignen sich den Arbeiten von Schwartz und Mitarbeitenden zufolge hybride MOFs. Beim Einbau organischer lichtemittierender Photosäuren in unterschiedliche MOFs beeinflussen sowohl die Wirtsstruktur als auch Interaktionen der Gastmoleküle selbst die Aggregation und die Rotverschiebung der Absorptions- und Emissionsbanden. Wie die Gastmoleküle interagieren, hängt von den miteinander verbundenen Porenstrukturen ab.¹⁰⁾

Im Exzellenzcluster PhoenixD haben Behrens und Schaate ZIF-Schichten über eine ZIF-8-Keimschicht synthetisiert und anschließend ihre optischen Eigenschaften untersucht. Mit dieser Methode wurden auch mehrschichtige Systeme, beispielsweise Brack-Stacks, aus unterschiedlichen ZIFs hergestellt. Ändern sich die optischen Eigenschaften beim Aufnehmen von Gastmolekülen, die durch die funktionellen Gruppen der ZIF kontrolliert werden, liefert das Informationen über die Adsorption (Abbildung 1).¹¹⁾

Wie die Gruppe um Müller-Buschbaum und ihre Kooperationspartner zeigten, lassen sich Kompositmaterialien mit lanthanoidhaltigen (Eu, Tb, Yb) NanoMOFs zur Fälschungssicherheit einsetzen. Mehrstufige Sicherheitsmerkmale ergeben sich, wenn unterschiedliche Eigenschaften im Komposit kombiniert werden, etwa Lichtemission im sichtbaren und Nahinfrarot-Bereich sowie spezifische Leitfähigkeiten.¹²⁾

Neben kristallinen MOFs werden immer mehr MOF-basierte Gläser untersucht. Henke und sein Team synthetisierten ein Fe^II-basiertes MOF-Glas über eine lösungsmittelfreie Eintopfreaktion. Das Glas hat eine kontinuierliche und zufällige Netzwerkstruktur mit hoher lokaler Ordnung und eine niedrige Glasübergangstemperatur (T_g = 85 °C). Das Material zeigt ausgeprägtes Spin-Glas-Verhalten mit einer Spin-Einfrier-Temperatur von 14 K.¹³⁾

In einer anorganisch-organischen Kooperation kombinierten Senker und Agarwal ein Templierungsverfahren mit Solvothermalsynthese und synthetisierten so einen Covalent-organic-framework(COF)-Schwamm mit hohlen Skelettwänden. Durch diese Methode lassen sich makroskopische Objekte herstellen.¹⁴⁾ Der Schwamm zeigt ausgezeichnete mechanische und katalytische Eigenschaften: höhere Ausbeute verglichen mit den Pulvern und höhere Absorptionskapazität als andere poröse Materialien. Er absorbiert gängige organische Lösungsmittel wie Chloroform, Silikonöl, Dimethylsulfoxid, Ethylacetat, Methanol, Tetrahydrofuran, Cyclohexan, Aceton und Ethanol.

Kombinatorisch machten sich Lotsch und Mitarbeitende ans Werk und entwickelten eine Klasse retikulärer Materialien, die MOCOFs. Dabei führten sie MOFs und COFs zusammen und vereinten dadurch die Vorteile von MOFs, wie hohe Kristallinität, und COFs, wie chemische Stabilität.¹⁵⁾ Auch für MOCOFs lässt sich das Isoretikulärprinzip anwenden, um mit unterschiedlichen Linkern die Struktur zu modellieren und verschiedene Funktionsgruppen und Porengrößen zu realisieren (Abbildung 2).

Hochdrucksynthese, Mechanismen, neue Verbindungen

Mit Hochdruck wurde auch dieses Jahr wieder an neuen und ungewöhnlichen Strukturen geforscht. Jansen, Bykov und Bruns haben das niedervalente Silber-Palladium-Oxid Ag₅Pd₂O₄ erzeugt, indem sie Ag₂PdO₂ in der Diamantstempelzelle bei isostatischem Neondruck von 30 GPa zersetzten. Die Verbindung besteht aus quadratisch-planaren Pd^IIO₄- und oktaedrischen Pd^VIO₆-Einheiten (Abbildung 3); die Silberatome haben eine Oxidationsstufe zwischen 0 und +I und bilden Ag–Ag-Bindungen.¹⁶⁾

Sauerstoffreiche Verbindungen stellte die Arbeitsgruppe um Wickleder her: In Kooperation mit Bykov synthetisierte sie in der Diamantstempelzelle das Lanthanoid^IV-Oxid-Peroxid Pr₂(O₂)O₃ aus PrO₂ bei 27 GPa Sauerstoffdruck. Pr₂(O₂)O₃ kristallisiert in einem bislang unbekannten Strukturtyp und ist die bislang sauerstoffreichste Praseodym-Verbindung.¹⁷⁾

Einige Arbeitsgruppen klärten komplizierte Kristallstrukturen auf: Die Gruppe um Nilges berichtet zusammen mit Pöttgen und Doert über inkommensurabel 3+1D-modulierte Silber-(Germanium, Zinn)-Polyphosphide des HgPbP₁₄-Typs. Wie die Autoren herausfanden, erzeugen Besetzungs- und Positionsmodulation der kationischen Substrukturen deren Überstrukturen.¹⁸⁾

Die Gruppen Doert und Inosov von der TU Dresden berichteten über korrelierte Protonen-Unordnung im Doppelhydroxid CuSn(OH)₆, das als Mineral Mushistonit natürlich vorkommt. Durch Neutronen- und Synchrotronpulverdiffraktion ließ sich die Kristallstruktur der Verbindung aufklären, und druckabhängigen Messungen zufolge ist die Protonenunordnung ab 1,75 GPa unterdrückt.¹⁹⁾

Ebbinghaus, Schmedt auf der Günne und Kohlmann beobachteten den Fluorierungsmechanismus des Ruddlesden-Popper-Oxids La₂NiO₄ durch Neutronen- und Röntgendiffraktion sowie Festkörper-NMR-Messungen. Wie sie zeigten, durchläuft das Edukt bis zu vier Intermediate auf dem Weg zu den Oxyfluoriden La₂NiO₃F₂ und La₂NiO_2.5F₃.²⁰⁾

Mit fluorierten Verbindungen beschäftigte sich auch die Arbeitsgruppe um Kraus. Sie klärte die Raumgruppe des Urantrifluorids UF₃. Diese blieb lange ungeklärt, da bislang nur Pulverdiffraktometriedaten vorlagen und die polare Raumgruppe P6₃cm oder die zentrosymmetrische Raumgruppe P3̅c1 möglich waren. Wie die Gruppe um Kraus an Einkristallmessungen zeigte, ist die Raumgruppe P3̅c1 korrekt, wobei alle untersuchten Kristalle meroedrisch verzwillingen und so eine höhere Laueklasse vortäuschten.²¹⁾

Die Struktur eines anderen Sulfids, K₂S, bestätigte die Arbeitsgruppe um Thiele mit Einkristall-Daten.²²⁾

Mit Röntgenpulverbeugung und Röntgenspektroskopie wies die Arbeitsgruppe Hoch nach, wie sich die Zusammensetzung von neuen und 27 Jahre alten Dentalamalgamen unterscheiden. Diese bestehen aus den Hauptphasen Ag_1+xHg_1–x, Ag₂Hg₃ und der η‘-Bronze Cu₆Sn₅. Atommigrationsprozesse führen zu unterschiedlichen Phasenanteilen der Ag-haltigen Amalgame und zur graduellen Bildung hohler Bronze-Kugeln.²³⁾

Über neue Nitrid-Indide (Sr₉N_1,33)(SrIn₃)[CN₃] und Sr₄(Sr₆N)₂[In₄][CN₃]₄ berichtete die Arbeitsgruppe um Niewa zusammen mit Dronskowski. Diese Verbindungen wurden bei Umgebungsdruck im Natriumflux hergestellt und enthalten das deprotonierte Guanidinat-Ion CN₃^5–, das elektronenreiche Mehrzentren-Bindungen stabilisiert.²⁴⁾

Kleine Ionen hat auch die Gruppe um Tambornino stabilisiert: Sie erhielt das Tellurocyanat-Ion bei Synthese der komplexen Ionenverbindung [K@crypt-222][TeCN]; die C–Te-Bindung hat eine Bindungsordnung zwischen 1 und 2.²⁵⁾

Über neue Oxide berichteten zwei Gruppen: Hartenbach stellte Wolframate der Summenformel Ln₂WO₆ (Ln = Y, Ho) vor und die Gruppe um Schleid das neue Oxotetraarsenat Ho₂[As^III₄O₉].^26,27)

Die Arbeitsgruppe Höppe präsentierte die ersten Antimon-Borosulfate und ein modulares System in Verbindungen der Summenformel M^IIIM^I[B(SO₄)₂]₄ (M^III = Bi³⁺, Sb³⁺, Lu³⁺; M^I = H₃O⁺, NO²⁺, Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺). Diese Verbindungen kristallisieren mit zwei unterschiedlich geladenen Kationen, und je nach Kationenkombination haben sie die Raumgruppensymmetrie I4, P4 oder C2.²⁸⁾

Intermetallische Phasen, Cluster und Zintl-Verbindungen

Eine neue Elektronenzählregel hilft zu verstehen, wie sich Pyrite, Marcasite und Arsenopyrite bilden. Die Gruppe um Johrendt überprüfte die Structure-determining-electron(SDE)-Regel an literaturbekannten Verbindungen und synthetisierte mit dieser Regel neun zusätzliche ternäre Vertreter der Pt/Ir-Ge-As/Sb-Systeme.²⁹⁾

Wie Pöttgen in einem Übersichtsartikel zeigte, eignet sich Bismut als reaktives und nicht reaktives Fluxmedium für die Zucht von oft seltenerdreichen intermetallischen Phasen.³⁰⁾

Steinberg untersuchte in einem Übersichtsartikel, ob sich Telluride als Zintl-Phasen betrachten lassen. Ihm zufolge funktioniert das Zintl-Klemm-Busmann-Konzept für Telluride mit s-Block-Elementen gut, da die Elektronen vollständig übertragen werden; für Telluride mit d- und p-Block-Elementen gilt das Konzept eingeschränkt, da die Bindungsverhältnisse komplexer sind. Hier sind zusätzlich quantenchemische Rechnungen nötig.³¹⁾

Zintl-Phasen mit starker Spin-Bahn-Kopplung haben die kooperierenden Gruppen um Schwarz und Grin untersucht. Das Team synthetisierte die Verbindung Mg₅Bi₃H_x unter Hochdruck in der Multianvil-Presse bei 4 GPa. Weniger als 0,03 Gewichtsprozent Wasserstoff waren zur Stabilisierung der Struktur im Ca₅Sb₃F-Typ nötig und wurden durch Massenspektrometrie nachgewiesen.³²⁾

Die Gruppe um Janka stellte zusammen mit Svanidzes Gruppe den ersten Vertreter des Sr–Al–Rh-Systems vor: SrAl₈Rh₂. Die Verbindung kristallisiert im CeAl₈Fe₂-Typ, und ihre Leitfähigkeit steigt bei 0,8 K sprunghaft an, was auf Supraleitung hindeutet.³³⁾

Möller und Mitarbeitende entdeckten im intermetallischen System Al_9−xFe_xMo₃ (1,0 ≤ x ≤ 2,5) die koexistierenden Phasen Al_8,5Fe_0,5Mo₃ (tI) und Al_9−zFe_zMo₃ (oI). Unter 100 K gehen die Al_9−xFe_xMo₃-Phasen in einen Spin-Glas-Zustand über, der von ungeordneten Eisen-Spins stammt.³⁴⁾

Auf der Suche nach neuen topologischen Isolatoren entdeckten Ruck und Hübner das bismutreiche Iodid Mn[PtBi₆I₁₂] mit linearen Stäben aus kuboktaedrischen [PtBi₆I₁₂]²⁻-Clustern (Abbildung 4). Die Verbindung hat eine triviale Bandlücke; Selbstdotierung der Mn-Position mit Bi macht die Verbindung stärker leitfähig.³⁵⁾

Auch die Gruppe um Dehnen hat Bi-Cluster produziert. Die Forschenden isolierten das bislang schwerste Analogon von Cyclopentadienid (C₅H₅)^–: einen planaren π-aromatischen Bi₅^–-Ring, als Ligand eingebaut in den inversen Co-basierten Sandwich-Komplex [{IMesCo}₂(µ,η⁵:η⁵-Bi₅)].³⁶⁾ Diesen Komplex zu stabilisieren ist ein wichtiger Schritt, um Polybismutide in Übergangsmetall- und Organometallkomplexen zu erforschen.

Optische, magnetische und topologische Eigenschaften

Farbige Verbindungen stellte unter anderem die Gruppe um Wickleder her. Ihre Chloridoaluminate M(AlCl₄)₂:Yb²⁺ (M = Ca, Sr, Ba) emittieren bei 4f¹³5d¹ → 4f¹⁴-Übergängen blau-violettes Licht. Die abnehmende Symmetrie der M²⁺-Lage erklärt die unerwartete Rotverschiebung der Emissionsmaxima in der Reihe Ca → Ba.³⁷⁾

Dronskowski et al. synthetisierten durch Festkörper-Metathese-Reaktion die in der Lanthanoid-Oxid-Carbodiimid-Familie fehlende Terbiumverbindung Tb₂O₂NCN. In der Verbindung alternieren Tb₂O₂²⁺- und NCN²⁻-Schichten. Sie emittiert grünes Licht mit einem Maximum des ⁵D₄ → ⁷F₅-Übergangs von Tb³⁺ bei 543 nm.³⁸⁾

Terraschke et al. bauten die Lanthanoide Ln = Sm³⁺, Eu³⁺, Gd³⁺, Tb³⁺ und Dy³⁺ in anorganisch-organische Schichtverbindungen ein, sodass diese Zn₂Al_0,95:Ln_0,05(OH)₆](HMA)_0,21 · (H₂O)_x (x = 1,0–1,7) bildeten und rot, grün oder blau leuchten.³⁹⁾

Die Arbeitsgruppe um Heine erzeugte in den molekularen Ionenkristallen (Hpiz)₄BiCu₄I₁₁ · 2MeCN (piz = Piperazin) mit kupferreichen ringartigen [(Hpiz)₄Cu₄I₆]²⁺-Komplexionen und [BiI₅]²⁻-Ionen rote Breitbandlumineszenz mit Maxima bei 735 nm.⁴⁰⁾

Ratiometrische Boltzmann-Thermometer messen die Temperatur anhand des Verhältnisses der Besetzungszahlen zweier Energieniveaus. Ein solches Thermometer der Gruppe um Huppertz und Suta basiert auf dem chromdotierten Aluminium-Oxonitridoborat Al_0,993Cr_0,007B₄O₆N und lässt sich zwischen 77 und 850 K nutzen (Abbildung 5).⁴¹⁾ Es übertrifft übliche Er³⁺-basierte Thermometer, da es heller ist und in einem größeren Temperaturbereich funktioniert.

Auch Kohlenstoff-Nanoröhren erstrahlen in neuem Licht: Durch mechanochemische Behandlung erzeugte die Gruppe um Borchardt dort sp³-Quantendefekte, die zu Farbzentren mit rotverschobener Emission E11* führen.⁴²⁾

Das Team um Schnick wandelte durch eine Ionenaustausch-Reaktion bei Drücken von 200 MPa in der heißisostatischen Presse Li₁₀P₄N₁₀ in AE_xLi_10−2xP₄N₁₀ (AE = Ca, Sr; x = 2–4) um. Die adamantanartigen [P₄N₁₀]¹⁰⁻-Ionen bleiben bei dieser Reaktion erhalten, und durch Dotieren mit Eu²⁺ emittieren die Verbindungen rotes (Ca₂Li₆P₄N₁₀:Eu²⁺, λ_max = 626 nm), orangefarbenes und gelbes (Ca_2,7Li_4,6P₄N₁₀:Eu²⁺ beziehungsweise Sr₃Li₄P₄N₁₀:Eu²⁺) sowie grünes (Ca₄Li₂P₄N₁₀:Eu²⁺, λ_max = 546 nm) Licht.⁴³⁾

Die Festkörperphysik chemischer Verbindungen wurde von der Gruppe um Svandize betrachtet: Rein zeigt das Urantellurid UTe₂ unkonventionelle Supraleitung mit einer Sprungtemperatur von T_c = 2,2 K. Kristallographische Imperfektionen wie Urandefekte und lokale Strukturdefekte ändern die Uran-Oxidationsstufe und verhindern oder beeinträchtigen die Supraleitung.⁴⁴⁾

Das neu gefundene Ta₄Rh₂C_1−δ geht unter T_c = 6,4 K in einen Typ-II-supraleitenden Zustand über. Wie die Gruppe von Rohr nachwies, hat die Verbindung ein oberes kritisches Feld von μ₀H_c2(0) = 17,4 T, höher als das schwach-koppelnde BCS-Pauli-Limit von 11,9 T.⁴⁵⁾

Die Arbeitsgruppe um Isaeva berichtete über das Antimontellurid Mn_1,90Sb_1,39Te₄, bei dem die van-der-Waals-Lücken durch Mangan aufgefüllt sind. Die Verbindung geht bei der Curie-Temperatur T_c = 73 K in einen ferrimagnetischen Grundzustand über.⁴⁶⁾

Die Arbeitsgruppe Felser untersuchte einen magneto-thermoelektrischen Effekt im topologischen Isolator Bi₈₈Sb₁₂, der zu einem hohen thermoelektrischen Leistungsfaktor (zT) von 1,7 ± 0,2 bei 180 K und 0,7 T führt. Den Effekt rufen schwache Magnetfelder hervor, die aufgrund der mobilen Ladungsträger und der linearen Dirac-Bandstruktur gleichzeitig den Seebeck-Koeffizienten erhöhen und die Wärmeleitfähigkeit senken.⁴⁷⁾

Klein und reaktiv – so lassen sich Terbium- und Vanadium-Metallnanopartikel mit Größen von 2,8 nm respektive 1,2 nm beschreiben. Die Gruppe Feldmann nutzte sie als Reduktionsmittel in der Flüssigphasensynthese sechs neuer niedrigvalenter Komplexverbindungen.⁴⁸⁾

Mit 3-nm-Platinnanopartikeln löst die Arbeitsgruppe um Epple 10-nm-Silbernanopartikel in einer chloridhaltigen Elektrolytlösung. Das Team berichtete dabei über eine erhöhte Zytotoxizität gegenüber menschlichen mesenchymalen Stammzellen, da aus den Silbernanopartikeln schneller und stärker Silberionen freigesetzt werden.⁴⁹⁾

Ionenleiter für Festkörperbatterien

Bei Batterien mit Lithiumionen als Ladungsträger gehen die Forschungsbemühungen in Richtung Festkörperbatterien, wofür hochleitfähige Lithiumionenleiter nötig sind. Wie Fässler und Mitarbeitende zeigten, lassen sich durch Substitution von Li durch Sc in Li₃Sb (Li_3–3xSc_xSb) Li-Leerstellen in die Struktur einbringen, und so lässt sich die bisher höchste publizierte Ionenleitfähigkeit von 42 mS · cm⁻¹ bei Raumtemperatur erreichen (Abbildung 6).⁵⁰⁾

Mit Strukturänderungen lassen sich Verbindungen ebenfalls leitfähiger machen, wie Pfitzner zeigte. Li₃As geht bei 3,6 GPa und 1350 °C von der hexagonalen in die kubische Kristallstruktur über.⁵¹⁾ Außerdem lässt sich die kubische Phase (Li_3–xAs_1–xSe_x (0,2 < x < 1)) aus der festen Lösung Li₃As-Li₂Se durch Synthese in der Kugelmühle erhalten. Die Ionenleitfähigkeit steigt dadurch um bis zu drei Größenordnungen.

Ziel bei Festkörperbatterien ist es, Lithiummetall-Anoden zu nutzen; daher ist wichtig, die elektrochemische Abscheidung an der Grenzfläche zu den Festelektrolyten zu verstehen. Janek und Mitarbeitende untersuchten die Abscheidung von Lithium an der Grenzfläche des sulfidischen Elektrolyten Li₆PS₅Cl und Stahl. Ihrer Analyse zufolge ist nicht die Stromdichte, sondern die Schichtdicke am wichtigsten für die resultierende Mikrostruktur.⁵²⁾

Für Nachhaltigkeit und Circular Economy muss frühzeitig an das Recycling von Festelektrolyten und Festkörperbatterien gedacht werden. Um einen der vielversprechendsten Festelektrolyte, Li₆PS₅Cl, zu recyceln, kann dieser über Lösungen getrennt und rückgewonnen werden. Wie Wissel und Clemens zeigten, ändern sich Rekristallisationsverhalten und funktionelle Eigenschaften durch das Lösungsmittel und die Konzentration sowie durch Interaktionen zwischen gelöstem Elektrolyt und Kathodenmaterial.⁵³⁾

Unter anderem, weil Natrium besser verfügbar als Lithium ist, steht die Natriumbatterie stärker im Fokus der Wissenschaft und Industrie. Auch hier wird an neuen Festelektrolyten geforscht. Die ionische Leitfähigkeit erhöht sich, indem die Ladungsträgerkonzentration durch aliovalente Substitution optimiert wird. Wie sich die Substitution auf die Struktur auswirkt, untersuchten Zeier und Mitarbeitende am Beispiel des schnellen Natriumionenleiters Na₃PS₄, wobei sie PS₄³⁻ durch SnS₄⁴⁻ substituierten.⁵⁴⁾ Lokale Spannungen im Gitter können zu einer Senkung der Aktivierungsenergie führen. Die neue Natriumphosphidverbindung Na₈SnP₄ mit ähnlichen tetraedrischen Baueinheiten wie die Sulfide zeigt in der Hochtemperaturmodifikation eine hohe Ionenleitfähigkeit von 0,53 mS · cm⁻¹.⁵⁵⁾ Substitution, ähnlich wie zuvor besprochen, könnte die ionische Leitfähigkeit erhöhen.

Katalyse und Energieumwandlung

Katalysatoren sind wichtig, um elektrochemisch Wasser zu spalten und so Wasserstoff zu produzieren. Als einen solchen schlugen Driess, Menezes und Kooperationspartner Ba₈Ni₆Ge₄₀ vor. Die Verbindung hat eine offene Clathrat-Struktur und ist katalytisch hochaktiv sowie stabil bei der alkalischen Sauerstoffentwicklungsreaktion (Abbildung 7).⁵⁶⁾ Während der katalytischen Reaktion zersetzt sich die Verbindung elektrochemisch in Nanoschichten aus katalytisch aktivem NiOOH. Durch das Lösen von Ba und Ge aus der Struktur sind die katalytisch aktiven Stellen leicht zugänglich.

Um die katalytische Oberfläche an der Kathode für die alkalische Wasserelektrolyse zu erhöhen, schlägt die Gruppe um Weihrich vor, Raney-Nickel über mechanisches Beschichten herzustellen, wodurch gezielte Auslagerung auslaugbare Ni-Al-Verbindungen bildet.⁵⁷⁾

Die Gruppe um Ledendecker synthetisierte laserbasiert 2 nm große IrO₂-Nanopartikel in Rutilstruktur. Diese Nanopartikel sind stabiler als RuO₂ und in der Sauerstoffentwicklungsreaktion ähnlich katalytisch aktiv.⁵⁸⁾

2-D-Materialien wie MXene gelten ebenfalls als vielversprechende Katalysatormaterialien, die sich über Ätzen mit HF aus den entsprechenden MAX-Phasen herstellen lassen. Mögliche Zusammensetzungen zur elektrokatalytischen Wasserstoffentwicklungsreaktion stellte die Gruppe um Birkel vor: Zunächst synthetisierte sie die Festphasenlösungen (V_1–gMo_g)₂AlC-MAX-Phasen (0 ≤ g ≤ 0,5) und die entsprechenden 2-D-MXen-Derivate (V_1–gMo_g)₂CT_x durch hydrothermale In-situ-HF-Ätzung. Mit zunehmendem Mo-Gehalt steigen die elektrokatalytischen Eigenschaften der Materialien, wobei (V_0,5Mo_0,5)₂CT_x die höchste Aktivität für die Wasserstoffentwicklungsreaktion zeigte.⁵⁹⁾

Eine hohe Oberfläche und gut zugängliche katalytisch aktive Zentren sind essenziell. Statt Elemente und Phasen herauszulösen oder Nanopartikel herzustellen, lassen sich auch poröse Materialien synthetisieren. Die Gruppe um Oschatz präsentierte eine optimierte Synthesestrategie für poröse, hohle Metall-Poly(Heptazin-Imid)-Kugeln, mit der sich Porosität, Morphologie, Hydrophilie und Metallgehalt kontrollieren lassen.⁶⁰⁾ Während photokatalytischer Sauerstoffreduktionsreaktion produzierte vor allem die Ni-dotierte Variante mehr Wasserstoffperoxid durch die einstellbaren elektronischen Bandpositionen.

Auch das Katalysatorträgermaterial lässt sich porös gestalten. Das zeigte Smarsly in Kooperation mit Schönhoff an mesoporösem SiO₂-Trägermaterial für einen immobilisierten Organokatalysator.⁶¹⁾ Demnach führen 6 nm große Poren zu diffusionsbedingten Massentransportlimitierungen, während Materialien mit 10 bis 30 nm großen Poren mehr Produkt umsetzen und stabil katalytisch aktiv sind. So lassen sich mesoporöse Träger gezielt für heterogene Organokatalyse optimieren.

Recyclingprozesse benötigen ebenfalls Katalysatoren. Weidenkaff und Mitarbeitende berichteten über die Synthese von La_0,6Ca_0,4Co_1–xFe_xO_3–δ mit Perovskit-Typ als Katalysator im Kunststoffrecycling. Unterschiedliche Syntheserouten wurden untersucht, wobei die Morphologie der Produkte durch die Ultraschall-Sprühsynthese besser für die Katalyse geeignet ist als die der durch Fällung erhaltenen Produkte.⁶²⁾ Einer Life-cycle-Analyse zufolge ist Ultraschall-Sprühsynthese auch nachhaltiger, da sie skalierbar ist und je nach Menge des synthetisierten Produkts den Umwelteinfluss verschiedener Wirkungsindikatoren reduziert, wie Frischwasserverschmutzung und Einfluss auf den Klimawandel.

Festkörperverbindungen wie Metallhalogenid-Perovskite sind sind außerdem gefragt, um Sonnenlicht in nutzbare elektrische Energie umzuwandeln. Die anorganischen Metallhalogenid-Perovskite wie CsPbI₂Br sind zwar thermisch stabiler als die organisch-anorganischen Perovskite, aber ebenfalls feuchtigkeitsanfällig. Sie zu stabilisieren könnte Mathur und Saliba sowie Mitarbeitenden zufolge gelingen, indem die Polymerschicht Poly(3-Hexylthiophen-2,5-diyl) während der Kristallisation zugesetzt wird.⁶³⁾

Neben Umwelteinflüssen destabilisieren diffundierende Ionen die Perovskite. Das Team um Grüninger untersuchte den Einfluss der Halogenidionen im organisch-anorganischen Hybrid-Perovskit MAPbI_xBr_3−x, wobei Br^– in MAPbI_xBr_3−x schneller diffundiert als I^– und durch die Halogenid-Leerstellenbildung begrenzt wird.⁶⁴⁾ Mit ionischen Flüssigkeiten lässt sich dies beeinflussen; dabei bilden sich leichter Halogenid-Leerstellen; die Diffusion wird jedoch durch die thermische Aktivierung der Kationenmoleküle der ionischen Flüssigkeit bestimmt.⁶⁴⁾

Drei Fragen an den Autor: Simon Kloß

Welche Erkenntnis der letzten zwölf Monate war für Ihre Forschung besonders wichtig?

In den Grenzfällen der anorganischen Strukturchemie, wo einfache Kategorisierung in Materialklassen nicht mehr möglich ist, wird es besonders spannend, und man lernt am meisten dazu.

Was würden Sie gerne entdecken oder herausfinden?

Übergangsmetallnitride bieten viele mögliche Strukturen mit den unterschiedlichsten Eigenschaften wie Ferromagnetismus oder Supraleitung. Mittlerweile können wir bestimmte Systeme auch gezielt ansteuern. Ich bin gespannt, ob unsere neuen Systeme solche nützlichen Eigenschaften realisieren können.

Ihre Forschung in 140 Zeichen?

Wir treiben die Entwicklung von neuen Übergangsmetallnitriden durch synthetische Innovation und spezialisierte Analysemethoden voran.

Simon Kloß, Jahrgang 1990, ist seit dem Jahr 2023 Emmy-Noether-Nachwuchsgruppenleiter an der LMU München. Zuvor forschte er als Postdoc an der Universität Edinburgh, Schottland, in der Gruppe von John Paul Attfield. Er studierte Chemie an der LMU München und promovierte 2018 in der Gruppe von Wolfgang Schnick. Kloß‘ Gruppe erforscht neue Übergangsmetallnitride. Mittelpunkt sind die Stabilisierung hochoxidierter Phasen durch Hochdruck-Synthesemethoden und die Untersuchung der magnetischen Eigenschaften der Materialien.

Drei Fragen an die Autorin: Maren Lepple

Ihre Forschung in 140 Zeichen?

Entwicklung von Multikomponent- bis Hochentropie-Keramiken – von Untersuchungen der Thermodynamik bis zu anwendungsrelevanten Eigenschaften.

In welchem Gebiet erwarten Sie in den nächsten zwölf Monaten die größten Entwicklungen und warum?

Methoden der Künstlichen Intelligenz wie Machine Learning werden in den nächsten zwölf Monaten weiter Einzug halten. Dabei wird schnell sichtbar werden, dass uns an vielen Stellen noch Basisdaten und Grundwissen fehlen. Das wiederum gibt der guten alten experimentellen Forschung einen neuen Kick und zeigt, wie unverzichtbar sie ist.

Was brauchen Sie heute im Beruf, was Sie im Studium nicht gelernt haben?

Führungskompetenzen und strategisches Navigieren im Uni-Dschungel – davon stand im Studium nichts im Skript. Darum Learning by Doing: hinfallen, aufstehen, besser machen. Ein paar gute Uni-Fortbildungen haben mir das nötige Rüstzeug gegeben.

Maren Lepple, Jahrgang 1985, ist seit 2022 Qualifikationsprofessorin für Anorganische Chemie mit dem Schwerpunkt Material und Energie an der Universität Gießen. Zuvor war sie Nachwuchsgruppenleiterin am Dechema-Forschungsinstitut. Sie absolvierte einen Postdoc am Eduard-Zintl-Institut der TU Darmstadt mit Forschungsaufenthalten an den Universities of California in Davis und Santa Barbara. Promoviert hat sie am Karlsruher Institut für Technologie.Foto: JLU / Rolf K. Wegst

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