Die Katalyse ist ein sehr komplexes und interdisziplinäres wissenschaftliches Gebiet, das die effiziente Herstellung einer Vielzahl von Produkten für verschiedene Branchen und in unterschiedlichen Produktionsgrößen ermöglicht. Somit ist die Katalyse eine der Schlüsseltechnologien zur Bewältigung wesentlicher Herausforderungen wie einer nachhaltigen Energieversorgung oder des Klimawandels. Das Datenmanagement in der Katalyse ist derzeit überwiegend auf institutioneller oder Arbeitsgruppenebene organisiert und basiert auf lokalen Konventionen. Übergreifende Repositorien und Standards, wie Daten inklusive Metadaten gespeichert werden sollen, existieren nur in rudimentärer Form.
Um den höchstmöglichen Mehrwert aus der Katalyseforschung zu generieren, ist ein grundlegender Wandel in der Katalyseforschung und den katalyseverwandten Wissenschaften wie Chemieingenieurwesen und Verfahrenstechnik erforderlich. Die verschiedenen Disziplinen der Katalyse im Hinblick auf das Datenmanagement zusammenzuführen, ist die zentrale Herausforderung. Aus all diesen Notwendigkeiten heraus wurde im Rahmen der Initiative zur Nationalen Forschungsdateninfrastruktur (NFDI) das NFDI4Cat-Konsortium gegründet. NFDI4Cat konzentriert sich auf die Wissenschaften rund um die Katalyse.
Daten aus der Katalyseforschung werden in einer Reihe von Teilschritten erzeugt:
Typischerweise beginnt der Prozess mit der Synthese des jeweiligen Katalysatormaterials mit Hilfe verschiedener Materialien und auch verschiedener Synthesemethoden (Synthesedaten). Daraufhin werden die synthetisierten Katalysatormaterialien in einem Reaktor unter einer Abfolge von verschiedenen Reaktionsbedingungen, wie z. B. unterschiedlichen Temperaturen, Druck oder Durchflussraten, den Reaktanten wie Gasen oder Flüssigkeiten ausgesetzt. Die dabei entstehenden Produkte werden hinsichtlich der gebildeten Substanzen und deren Quantitäten mit verschiedenen Analyseverfahren wie z. B. Massenspektrometrie oder Gaschromatographie analysiert (Reaktionsdaten).
Die Katalyseforschung verfolgt das Ziel, Zusammenhänge zwischen der Struktur eines funktionierenden Katalysators und seiner Aktivität aufzuklären. Dieses Ziel wird idealerweise durch direkte Überwachung der Katalysatoren unter relevanten Bedingungen erreicht (Operandodaten) und oft durch quantenchemische Berechnungen unterstützt. Strukturelle Eigenschaften werden vor, während oder nach der katalytischen Reaktion aus der Materialanalytik ermittelt, z. B. spektroskopische, Beugungs- oder Absorptionsmessungen (Charakterisierungsdaten). Die erhaltenen Reaktionsdaten werden zur Berechnung der Leistung des Katalysators genutzt, die auf verschiedene Weise quantifiziert und dargestellt werden kann, z. B. als Konzentrationen, Umsatz, oder Selektivität (Leistungsdaten). Diese Daten dienen als Eingabe für die Modellierung der Reaktionskinetik (Molekulare Modellierung), für Reaktor-Simulationen (Multiskalenmodellierung) und Prozess-Simulationen. Anhand dieser Simulationen können katalytische Reaktoren und Verfahren konzipiert werden. Der Erfolg dieser Vorgehensweise wird sowohl durch experimentelle als auch durch computergestützte Methoden vorangetrieben, die oft isoliert von verschiedenen Expert*innen durchgeführt werden. Während der Gesamtworkflow und die grundlegenden Konzepte in den einzelnen Katalysedisziplinen ähnlich sind, werden in jeder dieser Disziplinen leicht unterschiedliche Ansätze, unterschiedliche Nomenklaturen, experimentelle Methoden sowie Eigenschafts- und Leistungsdeskriptoren verwendet.
Das Datenmanagement in der Katalyse ist aktuell meist auf Instituts- oder Arbeitsgruppenebene organisiert und basiert auf lokalen Konventionen. Übergreifende Repositorien sowie Standards, wie Daten inkl. Metadaten abgelegt werden sollten, existieren nur in Ansätzen, z. B. in der Biokatalyse oder im Bereich der Theoretischen Katalyse. Datenpublikation spielt demzufolge in der Disziplin noch keine Rolle.
Um aktuelle Herausforderungen zu meistern und den größtmöglichen Mehrwert aus der Katalyseforschung zu ziehen, ist ein grundlegender, digitaler Wandel in diesem Wissenschaftsbereich sowie in der Prozess- und Verfahrenstechnik erforderlich. Die Notwendigkeit einer gemeinsamen Vorgehensweise, um das volle Potenzial der in der Katalyseforschung generierten Daten auszunutzen, wird in der GeCatS-Publikation The Digitalization of Catalysis-Related Sciences ausführlich beschrieben. Das NFDI4Cat-Konsortium zielt darauf ab, eine Transformation vom derzeitigen Status hin zur “digitalen Katalyseforschung” zu ermöglichen und zu beschleunigen.
Die entscheidenden Elemente, die für eine „digitale Katalyseforschung“ benötigt werden, sind die Vereinheitlichung von Konzepten, Vokabularien und Datenformaten sowie die Schaffung von vernetzten Informationsarchitekturen, die die Speicherung und den Austausch von semantisch reichen Daten ermöglichen. Diese Dateninfrastrukturen sollen den Einsatz moderner Analyseansätze ermöglichen, insbesondere mit Werkzeugen, die auf künstlicher Intelligenz basieren.
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