Research Topics

Quantenchemische Methoden in den Materialwissenschaften

Quantenchemische Methoden in den Materialwissenschaften

Die Anwendung von Elektronenstrukturmethoden in den Materialwissenschaften birgt zahlreiche Herausforderungen - häufig sind die relevanten strukturellen Details eines Systems unbekannt oder nicht ausreichend charakterisiert. Während Simulationen wertvolle Informationen über Strukturen und Prozesse auf den kleinsten Längenskalen liefern können, ist die Aussagekraft von Berechnungen begrenzt durch die Strukturelle Vielfalt und Komplexität des Experiments. Somit ist häufig weniger die Genauigkeit der Methoden von Relevanz, als die Berücksichtigung von Umgebungseffekten wie Lösemittel, Phasengrenzen oder elektrochemisches Potential. Aus diesem Grund ist auch die enge Kooperation mit Experimentatoren und die Berücksichtigung neuester experimenteller Methoden und Ergebnisse essentiell, wenn das volle Potential von Elektronenstrukturrechnungen zur Untersuchung von Struktur-Funktionszusammenhängen ausgeschöpft werden soll.

Beispiele für unsere Projekte auf diesem Gebiet sind Arbeiten im Bereich neue Materialien und heterogene Katalyse:

J. W. Straten, P. Schleker, M. Krasowska, E. Veroutis, J. Granwehr, A. A. Auer, W. Hetaba, S. Becker, R. Schlögl, S. Heumann, Nitrogen‐Functionalized Hydrothermal Carbon Materials by Using Urotropine as the Nitrogen Precursor, Chem. Eur. J., 24, 12298, (2018).

P. Düngen, M. Greiner, K.-H. Böhm, I. Spanos, X. Huang, A. A. Auer, R. Schlögl,  S. Heumann, Atomically dispersed vanadium oxides on multiwalled carbon nanotubes via atomic layer deposition: A multiparameter optimization,Journal of Vacuum Science & Technology A 36, 01A126 , DOI: 10.1116/1.5006783, (2018). 

P. Kitschke, M. Walter, T. Rüffer, A. Seifert, F. Speck, T. Seyller, S. Spange, H. Lang, A.A. Auer, M. V. Kovalenko, M. Mehring,Porous Ge@C materials via twin polymerization of germanium(II) salicyl alcoholates for Li-ion batteries, Journal of Materials Chemistry A, 4, 7, 2705-2719 DOI: 10.1039/c5ta09891b, (2016).

In den Vergangenen Jahren hat sich unsere Gruppe an den Arbeiten in der DFG-Forschergruppe zur Zwillingspolymerisation beteiligt. Die Zwillingspolymerisation ist ein neuartiger Ansatz um Hybridpolymere zu erhalten, in denen organische und anorganische Strukturen auf der Nanometerebene miteinander verknüpft sind. Während diese Reaktionsklasse schon erfolgreich zur Synthese einer breiten Palette von funktionalen Materialien angewendet wurde, sind viele der mechanistischen Details noch ungeklärt. Im Rahmen unserer Arbeiten wurden unterschiedliche Elektronenstrukturmethoden und skalenübergreifende Ansätze angewendet, um die Reaktionsmechanismen der protoneninduzierten und thermischen Zwillingspolymerisation zu untersuchen.

P. Kitschke, A.-M. Preda,A. A. Auer,S. Scholz, T. Rüffer, H. Lang, M. Mehring, Spirocyclic tin salicyl alcoholates - a combined experimental and theoretical study on their structures, Sn-119 NMR chemical shifts and reactivity in thermally induced twin polymerization, Dalton Trans.,48, 220-230, DOI:10.1039/C8DT03695K, (2019).

A. A. Auer, G. Bistoni, P. Kitschke, M. Mehring, T. Ebert, S. Spange ,Electronic Structure Calculations and Experimental Studies on the Thermal Initiation of the Twin Polymerization Process, ChemPlusChem, 82, 1396, (2017).

P. Kempe, T. Löschner, A. A. Auer, A. Seifert, G. Cox, S. Spange,Thermally Induced Twin Polymerization of 4H-1,3,2-Benzodioxasilines, Chem. Eur. J., 20, 8040-8053. DOI: 10.1002/chem.201400038, (2014).

A. A. Auer, A. Richter, A. V. Berezkin, D. V. Guseva, S. Spange,Theoretical Study of Twin Polymerization - From Chemical Reactivity to Structure Formation, Macromolecular Theory and Simulations, 21, 615, (2012).

Berechnung von Parametern in der NMR Spektroskopie

Berechnung von Parametern in der NMR Spektroskopie

Mittels Elektronenstrukturmethoden lassen sich Parameter der NMR Spektroskopie mit guter Genauigkeit berechnen, wie wir in zahlreichen Studien belegt haben. So können berechnete chemische Verschiebungen oder Spin-Spin Kopplungskonstanten wertvolle zusätzliche Informationen liefern, wenn anhand experimenteller Daten indirekt molekulare Strukturen bestimmt werden.

G. L. Stoychev, A. A. Auer, F. Neese, Efficient and Accurate Prediction of Nuclear Magnetic Resonance Shielding Tensors with Double-Hybrid Density Functional Theory, J. Chem. Theory Comput., 14, 9, 4756-4771, (2018).

K.-H. Boehm, K. Banert, A. A.  Auer, A. A.,Identifying Stereoisomers by ab-initio Calculation of Secondary Isotope Shifts on NMR Chemical Shieldings, Molecules, 19,4, 5301-5312, (2014).

A. A. Auer, J. Gauss, J. F. Stanton, Quantitative prediction of gas-phase 13C nuclear magnetic shielding constants, J. Chem. Phys. 118, 10407, DOI: 10.1063/1.1574314, (2003).

A. A. Auer and J. Gauss, Triple excitation effects in coupled-cluster calculations of indirect spin-spin coupling constants, J. Chem. Phys. 115, 1619, DOI: 10.1063/1.1386698, (2001).

Neben der Anwendung von quantenchemischen Methoden zur Berechnung von NMR Parametern arbeiten wir an der Entwicklung neuer Algorithmen im Rahmen des ORCA Programmpakets. Dazu gehört die Parametrisierung von spezialisierten Basissätzen, aber auch die Untersuchung von Nullpunktsschwingungseffekten auf chemische Verschiebungen.

G. L. Stoychev, A. A. Auer, R. Izsák, F. Neese, Self-Consistent Field Calculation of Nuclear Magnetic Resonance Chemical Shielding Constants Using Gauge-Including Atomic Orbitals and Approximate Two-Electron Integrals, J. Chem. Theory Comput., 14, 2, 619-637, (2018).

G. L. Stoychev, A. A. Auer, F. Neese, Automatic Generation of Auxiliary Basis Sets, J. Chem. Theory Comput., 13, 2, 554-562, (2017).

Methodenentwicklung / Tensorzerlegungsmethoden zur Lösung der Schrödingergleichung

Methodenentwicklung / Tensorzerlegungsmethoden zur Lösung der Schrödingergleichung

Tensorzerlegungsmethoden finden sich prinzipiell in zahlreichen Näherungen von Elektronenstrukturmethoden. Sowohl die RI Näherung, als auch die Choleskyzerlegung, Laplace-MP2 Ansätze bis hin zur DMRG Methode basieren auf derartigen Verfahren. Im Rahmen unserer Arbeiten an Tensorzerlegungsmethoden beschäftigen wir uns mit neuartigen Ansätzen, Lösungen für Vielteilchensysteme zu finden. Dies geschieht in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern aus der angewandten Mathematik und beinhaltet zahlreiche Tensorformate, unterschiedliche Lösungsansätze und Methoden wie Coupled Cluster oder Full CI.

K.-H. Böhm,A. A. Auer, M. Espig, Tensor representation techniques for full configuration interaction: A Fock space approach using the canonical product format, J. Chem. Phys., 144, 12. DOI: 10.1063/1.4953665, (2016).

U. Benedikt, K.-H. Böhm, A. A. Auer, Tensor decomposition in post-Hartree-Fock methods. II. CCD implementation. J. Chem. Phys., 139, 22, 224101 DOI: 10.1063/1.4833565, (2013).

Weitere Arbeiten im Rahmen von Algorithmen und Methodenentwicklung beschäftigten sich z.B. mit automatischer Programmgenerierung oder der Untersuchung der Core-Korrelation im Rahmen des DLPNO-CC Schemas. 

M. Krupička, K. Sivalingam, L. Huntington, A. A. Auer, F. Neese, A toolchain for the automatic generation of computer codes for correlated wavefunction calculations, Comput. Chem., 38, 1853– 1868. DOI: 10.1002/jcc.24833, (2017).

G. Bistoni, C. Riplinger, Y. Minenkov, L. Cavallo, A. A. Auer, F. Neese, Treating Subvalence Correlation Effects in Domain Based Pair Natural Orbital Coupled Cluster Calculations: An Out-of-the-Box Approach, J. Chem. Theory Comput., 13, 7, 3220-3227, (2017).

Intramolekulare Wechselwirkung in Verbindung der schweren Hauptgruppenelemente

Intramolekulare Wechselwirkung in Verbindung der schweren Hauptgruppenelemente

Im Rahmen des DFG Schwerpunktprogramms SPP 1807 "Control of London dispersioninteractions in molecular chemistry" arbeiten wir in Kooperation mit der Gruppe von Prof. M. Mehring der TU Chemnitz an neuartigen Verbindungen mit Wechselwirkungen von schweren Haupgruppenelementen wie Bismutund Pi-Systemen. Im Fokus stehen dabei vor allem van der Waals Wechselwirkungen, deren Rolle als strukturbildende Komponente in bestimmten Bereichen der Chemie erst in jüngeren Jahren erkannt und erforscht wurde. Dafür kommen auf Seiten der Theorie vor allem DLPNO-CC Ansätze zum Einsatz, aber auch konventionelle DFT-D Methoden.

A.-M. Preda, M. Krasowska, L. Wrobel, P. Kitschke, P. C. Andrews, J. G. MacLellan, L. Mertens, M. Korb, T. Rüffer, H. Lang, A. A. Auer, M. Mehring, Evaluation of dispersion type metal π arene interaction in arylbismuth compounds - an experimental and theoretical study, Beilstein J Org Chem., 14, 2125–2145, (2018).

M. Krasowska, W. B. Schneider, M. Mehring, A. A. Auer, High-Level Ab Initio Calculations of Intermolecular Interactions: Heavy Main-Group Element π-Interactions, Chem. Eur. J., 24, 10238, (2018).

A. M. Preda, W. B. Schneider, D. Schaarschmidt, H. Lang, L. Mertens, A. A. Auer, M. Mehring, The role of dispersion type metal center dot center dot center dot pi interaction in the enantiotropic phase transition of two polymorphs of tris-(thienyl)bismuthine, Dalton Trans.,46, 13492-13501, (2017).

Des Weiteren kooperieren wir am MPI für Kohlenforschung eng mit der der Gruppe von Giovanni Bistoni, die an neuen Analyseverfahren zur Berechnung und Rationalisierung von intermolekularen Wechselwirkungen mittels hochgenauer Methoden arbeiten. Derartige Verfahren ermöglichen es, nach dem Motto "genaue Zahlen und tieferes Verständnis" die Ergebnisse von Verfahren wie DLPNO-CCSD(T) mittels intuitiver Konzepte wie Dispersion oder Ladungsübertrag zu interpretieren.

H. C. Gottschalk, A. Poblotzki, M. A. Suhm, M. M. Al-Mogren, J. Antony, A. A. Auer, L. Baptista, D. M. Benoit, G. Bistoni, F. Bohle, R. Dahmani, D. Firaha, S. Grimme, A. Hansen, M. E. Harding, M. Hochlaf, C. Holzer, G. Jansen, W. Klopper, W. A. Kopp, L. C. Kröger, K. Leonhard, H. Mouhib, F. Neese, M. N. Pereira, I. S. Ulusoy, A. Wuttke, R. A Mata, The furan microsolvation blind challenge for quantum chemical methods: First steps, J. Chem. Phys. 148, 014301, DOI:10.1063/1.5009011, (2018).

W. B. Schneider, G. Bistoni, M. Sparta, M. Saitow, C. Riplinger, A. A. Auer, F. Neese, Decomposition of Intermolecular Interaction Energies within the Local Pair Natural Orbital Coupled Cluster Framework, J. Chem. Theory Comput., 12, 10, 4778-4792, (2016).

G. Bistoni, A. A. Auer, F. Neese, Understanding the Role of Dispersion in Frustrated Lewis Pairs and Classical Lewis Adducts: A Domain-Based Local Pair Natural Orbital Coupled Cluster Study, Chem. Eur. J., 23, 865, (2017). 

Modellierung von Katalysatoren und Reaktionsmechanismen in der Elektrochemie

Modellierung von Katalysatoren und Reaktionsmechanismen in der Elektrochemie

Zwei der wichtigsten Reaktionen der elektrokatalytischen Energiekonversion sind die elektrochemische Wasserspaltung und die zugehörige Rückreaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser. Diese Reaktionen sind Teil der Prozesse in Wasserelektrolyseuren, die mittels Strom Wasserstoff erzeugen und Teil der Brennstoffzellenreaktion, die aus der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff Strom generiert. Dabei ist vor allem die effiziente Reaktion des Sauerstoffs und Materialien, die oxidierenden Bedingungen langfristig standhalten, essentiell, um in großem Maßstab erneuerbare Energien zu speichern oder als Energiequelle für den Transport verfügbar zu machen.

Im Rahmen unserer Arbeiten beschäftigen wir uns methodisch mit der Entwicklung von Algorithmen und Ansätzen zur Beschreibung atomistischer Systeme in der Elektrochemie auf Basis von DFT Methoden für molekulare Systeme.

C. Poidevin,  P. Paciok, M. Heggen,  A. A. Auer, High resolution transmission electron microscopy and electronic structure theory investigation of platinum nanoparticles on carbon black, J. Chem. Phys. 150, 041705, DOI: 10.1063/1.5047666, (2019).

W. B. Schneider, A.A. Auer, Nanoparticles in Electrocatalysis and Theory, Bunsenmagazin, 17, 16-23, (2015).

W. B. Schneider, A. A. Auer, Constant chemical potential approach for quantum chemical calculations in electrocatalysis, Beilstein J. Nanotechnol., 5, 668-676. DOI: 10.3762/bjnano.5.79, (2014).

W. B. Schneider, A. A. Auer, Constant chemical potential approach for quantum chemical calculations in electrocatalysis, Beilstein Journal of Nanotechnology, 5, 668-676, (2014).

W. B. Schneider, U. Benedikt, A. A. Auer, Interaction of Platinum Nanoparticles with Graphitic Carbon Structures: A Computational Study, ChemPhysChem, 14, 2984, (2013).

I. Katsounaros, W. B. Schneider, J. C. Meier, U. Benedikt, P. U. Biedermann, A. Cuesta, A. A. Auer, K. J. J. Mayrhofer, The impact of spectator species on the interaction of H2O2 with platinum - implications for the oxygen reduction reaction pathways, Phys. Chem. Chem. Phys., 15, 8058, (2013).

U. Benedikt, W. B. Schneider, A. A. Auer, Modelling electrified interfaces in quantum chemistry: constant charge vs. constant potential, Phys. Chem. Chem. Phys., 15, 2712, (2013).

 

Im Bereich der Elektrokatalyse führen wir Elektronenstrukturrechnungen an Pt-Nanopartikeln zur Katalyse der ORR durch. Ein zentraler Punkt dabei ist die Wechselwirkung von Nanopartikeln und Katalysatorträger.Im Rahmen weiterer Kooperationsprojekte führen wir Simulationen an Iridiumoxid-Nanopartikeln als Katalysatoren der OER durch, wobei vor allem der Oberflächenzustand in Abhängigkeit von Potential und pH im Vordergrund stehen.

Die Projekte werden durch das BMWi, das BMBF und die MAXNET Energy Initiative der Max Planck Gesellschaft gefördert.

I. Spanos, A. A. Auer, S. Neugebauer, X. Deng, H. Tüysüz, R. Schlögl, Standardized Benchmarking of Water Splitting Catalysts in a Combined Electrochemical Flow Cell/Inductively Coupled Plasma-Optical Emission Spectrometry (ICP-OES) Setup, ACS Catal., 7, 6, 3768-3778, (2017). 

A. A. Auer, S. Cap, M. Antonietti, S. Cherevko, X. Deng, G. Papakonstantinou, K. Sundmacher, S. Brüller, I. Antonyshyn, N. Dimitratos, R. J. Davis, K.-H. Böhm, N. Fechler, S. Freakley, Y. Grin, B. T. Gunnoe, H. Haj-Hariri, G. Hutchings, H. Liang, K. J. J. Mayrhofer, K. Müllen, F. Neese, C. Ranjan, M. Sankar, R. Schlögl, F. Schüth, I. Spanos, M. Stratmann, H. Tüysüz, T. Vidakovic-Koch, Y. Yi, MAXNET Energy - Focusing Research in Chemical Energy Conversion on the Electrocatalytic Oxygen Evolution, Green, 5, 1-6, 7-21 DOI:10.1515/green-2015-0021, (2016) 

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