Datenmanagement in der Katalyse

Forschungsdaten in der 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).

Grafische Darstellung des aktuellen Stands des Datenmanagements in
der Katalyse

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.