Die Jülicher Forscherin Johanna Bantol hat den Lieselotte-Templeton-Preis der Deutschen Gesellschaft für Kristallographie (DGK) erhalten. Die Preisverleihung an die Doktorandin des Institute for a sustainable Hydrogen Economy (IHE) am Forschungszentrum Jülich fand im Rahmen der DGK-Jahrestagung in Lübeck statt. Die DGK zeichnet jährlich herausragende Bachelor- und Masterarbeiten aus, in denen Methoden und Konzepte der Kristallographie erfolgreich angewendet werden.
Kristallographie ist die Wissenschaft, die die dreidimensionale Anordnung von Atomen in kristallinen Materialien bestimmt und beschreibt. Forschende bestrahlen Kristalle unter anderem mit Röntgenstrahlen, analysieren die entstehenden Beugungsmuster und rekonstruieren daraus, wo sich jedes Atom im Material befindet – den atomaren Bauplan eines Festkörpers.
Johanna Bantol
Internationaler Studiengang
„Ich fühle mich sehr geehrt, dass mir als junge Forscherin von den Philippinen diese Anerkennung hier in Deutschland zuteilwird“, sagt Johanna Bantol. Sie absolvierte den internationalen Erasmus-Mundus-Masterstudiengang „Advanced Spectroscopy in Chemistry“ in Lille (Frankreich), Bologna (Italien) und Leipzig (Deutschland). An der Universität Leipzig fertigte sie ihre Masterarbeit am Institut für Anorganische Chemie und Kristallographie unter der Betreuung von Prof. Holger Kohlmann an. Seit Herbst 2025 promoviert sie am IHE-1 in Jülich. Der Institutsbereich wird von Prof. Hans-Georg Steinrück geleitet. Die Forschenden nutzen Röntgenstrahlen, um Katalysatoren für Wasserstoff-Technologien auf atomarer Ebene zu verstehen und gezielt zu optimieren.
In ihrer Masterarbeit untersuchte Johanna Bantol, wie sich Intermediate bei der Herstellung der Metalle Vanadium und Wolfram gezielt stabilisieren lassen – etwa durch Variation von Parametern wie Wasserstofffluss und Temperatur. Intermediate sind in der Metallherstellung Verbindungen, die zwischen Ausgangsstoff und Endprodukt entstehen. Im Mittelpunkt steht dabei die Direktreduktion mit Wasserstoff. Das ist eine chemische Reaktion, bei der Wasserstoff als Reduktionsmittel einem Metalloxid – also einer Verbindung aus Metall und Sauerstoff – schrittweise den Sauerstoff entzieht, bis das reine Metall entsteht.
Die Wahl des Reduktionsmittels hat großen Einfluss auf die Klimabilanz. Entzieht Wasserstoff dem Metalloxid den Sauerstoff, entsteht Wasser als Reaktionsprodukt. Wird dagegen Kohlenstoff eingesetzt – etwa in Form von Koks oder Kohlenmonoxid (CO) –, entsteht in der Regel Kohlenstoffdioxid (CO₂), ein klimawirksames Treibhausgas.
Den „Fingerabdruck“ von Materialien sichtbar machen
Johanna Bantol verfolgte die Bildung der Vanadium- und Wolfram-Intermediaten während der Direktreduktion mit Wasserstoff mithilfe der in-situ Röntgen-Pulverdiffraktometrie. Vereinfacht gesagt zeichnet diese Methode den strukturellen „Fingerabdruck“ kristalliner Phasen während einer laufenden Reaktion auf. Die Proben liegen dabei als Pulver aus sehr kleinen Kristallen vor. So konnte Johanna Bantol Schritt für Schritt bestimmen, unter welchen Bedingungen bestimmte Intermediate entstehen, wie lange sie stabil bleiben und wie sie gezielt angesteuert werden können.
Für Wolfram zeigte sie, dass ein höherer Wasserstofffluss dazu führt, dass sich ein potenziell interessantes Intermediat früher bildet und länger stabil bleibt. Im Fall von Vanadium werden zwei Intermediate unter bestimmten Temperaturbedingungen stabil und damit gezielt nutzbar.
Intermediate mit großem Anwendungspotenzial
Diese Intermediate sind mehr als nur Durchgangsstationen. Bei Vanadium handelt es sich häufig um Oxide mit gemischten Oxidationszuständen. Sie gelten als Schlüsselmaterialien für neue Energiespeicher, intelligente Materialien und künftige Computertechnologien. Darüber hinaus wird Vanadium eingesetzt, um Stahl härter, zäher und widerstandsfähiger zu machen. Wolfram ist extrem hart, hitzefest und dicht und findet sich häufig in Hartmetallen, Schneidwerkzeugen, Drähten oder Elektroden. Wolframhaltige Oxide sind hoch interessant für Abgaskatalysatoren und Sensoren.
„Johannas Ergebnisse sind besonders relevant, weil sie Einblicke in die zugrunde liegenden Reaktionsmechanismen liefern. Das ist entscheidend für den gezielten Einsatz der Materialien, etwa in Batterien oder Quantenmaterialien“, sagt Hans-Georg Steinrück.
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