Dr. Alexander Schnegg - EPR Forschungsgruppe

Vita
Dipl.-Phys.Freie Universität Berlin (1998)
Dr. rer. nat.Institut für Experimentalphysik, Freie Universität Berlin (1999-2003)
PostdocMax-Planck-Institut für Bioanorganische Chemie; heute: MPI CEC (2004-2005)
PostdocHelmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) (2006-2013)
Wiss. MitarbeiterVerantwortlicher Wissenschaftler im EPR-Labor am HZB (2013-2018)
Adjunct professorMonash University, Melbourne, Australia (2016-2021)
ForschungsgruppenleiterMPI CEC (seit 2018)
  
Publications

Full publications list

Publications at MPI CEC

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[60] J. Nehrkorn; S. A. Bonke; A. Aliabadi; M. Schwalbe; A. Schnegg, Examination of the Magneto-Structural Effects of Hangman Groups on Ferric Porphyrins by EPR. Inorganic Chemistry 2019, 58, 14228, 10.1021/acs.inorgchem.9b02348.

[61] Y. Kutin; N. Cox; W. Lubitz; A. Schnegg; O. Rüdiger, In Situ EPR Characterization of a Cobalt Oxide Water Oxidation Catalyst at Neutral pH. Catalysts 2019, 9, 926, 10.3390/catal9110926.

[62] J. Cheng; J. Liu; X. Leng; T. Lohmiller; A. Schnegg; E. Bill; S. Ye; L. Deng, A Two-Coordinate Iron(II) Imido Complex with NHC Ligation: Synthesis, Characterization, and Its Diversified Reactivity of Nitrene Transfer and C–H Bond Activation. Inorganic Chemistry 2019, 58, 7634, 10.1021/acs.inorgchem.9b01147.

[63] W. Riedel; L. Thum; J. Möser; V. Fleischer; U. Simon; K. Siemensmeyer; A. Schnegg; R. Schomäcker; T. Risse; K.-P. Dinse, Magnetic Properties of Reduced and Reoxidized Mn–Na2WO4/SiO2: A Catalyst for Oxidative Coupling of Methane (OCM). The Journal of Physical Chemistry C 2018,122, 22605, 10.1021/acs.jpcc.8b07386.

[64] J. Nehrkorn; S. L. Veber; L. A. Zhukas; V. V. Novikov; Y. V. Nelyubina; Y. Z. Voloshin; K. Holldack; S. Stoll; A. Schnegg, Determination of Large Zero-Field Splitting in High-Spin Co(I) Clathrochelates. Inorganic Chemistry 2018, 57, 15330, 10.1021/acs.inorgchem.8b02670.

[65] M. Böhme; S. Ziegenbalg; A. Aliabadi; A. Schnegg; H. Görls; W. Plass, Magnetic relaxation in cobalt(ii)-based single-ion magnets influenced by distortion of the pseudotetrahedral [N2O2] coordination environment. Dalton Transactions 2018, 47, 10861, 10.1039/C8DT01530A.

Gruppenmitglieder

Laborkoordination

Dr. Leonid Rapatskiy

Postdocs

Dr. Kaltum Abdiaziz
Dr. Takuma Sato

Gäste

Nikolai Kochetov

EPR Forschungsgruppe am MPI CEC

Die EPR-Forschungsgruppe am MPI CEC nutzt die electron paramagnetic resonance (EPR, im Deutschen häufig Elektronenspinresonanz (ESR) genannt) als spektroskopische Methode zur Identifizierung und Charakterisierung paramagnetischer Zustände in Prozessen, die für die Energiekonversion und –speicherung relevant sind. Ein spezielles Augenmerk gilt katalytisch aktiven Übergangsmetallionen und Radikalen. Die Gruppe entwickelt und benutzt EPR-Spektrometer der neuesten Generation im Frequenzbereich von einigen GHz bis zu mehreren THz. Unsere Spektrometer erlauben eine Vielzahl spezifischer Experimente im Puls- und Dauerstrichbetrieb, darunter Doppelresonanz- und Multi-Frequenz-Experimente für Kristalle, Lösungen, Festkörper und in-situ-Experimente. 

Abb. 1: EPR-Methoden, die in unserer Arbeitsgruppe zur Verfügung sehen
Abb.2: Schema einer spektro-elektrochemischen Zelle in einem EPR-Resonator.

Momentan sind wir in den folgenden Forschungsfeldern aktiv

In-situ EPR

Die wissensbasierte Veränderung und Verbesserung von Katalysatoren erfordern ein tiefgreifendes Verständnis ihrer Funktionsmechanismen. Jedoch werden die reaktivsten katalytischen Zustände häufig erst während der Reaktion gebildet und sind somit nur unter Reaktionsbedingungen zu analysieren. Diesem Umstand begegnen wir mit der Entwicklung und Anwendung von in-situ/operando-EPR-Methoden.  Diese Studien erfordern die Konstruktion elektrochemischer Zellen innerhalb eines EPR-Probenröhrchens (siehe Abb. 2) und den Einsatz von Durchflusssystemen im EPR-Spektrometer. Dabei stehen unter anderem Reaktionen für die elektrokatalytische Wasseroxidation mit dünnen Übergangsmetallionenfilmen oder homogenen Katalysatoren im Mittelpunkt. Spektro-elektrochemische EPR wird im Rahmen des DFG-Sonderforschungsbereichs (SFB) 247 zur Untersuchung paramagnetischer Zustände in Co-Oxid-Katalysatoren für Alkoholoxidationsreaktionen und im SFB 1487 zur Charakterisierung Eisen in Hochspinzustände in Einzelatomkatalysatoren für die Sauerstoffreduktionsreaktionen eingesetzt.

K. Abdiaziz; L. Ni; D. Demirbas; H. Haak; E. Reijerse; P. Theis; W. Jiang; S. Chabbra; T. Lunkenbein; U. I. Kramm; A. Schnegg, Reversibly Redox-Active Iron Oxide Structures in FeNC Catalysts Identified by Microscopy and Spectroelectrochemical EPR and Mössbauer Methods. J. Am. Chem. Soc. 2026, 148, 3995, https://doi.org/10.1021/jacs.5c12396.

Kontakt: Dr. Kaltum Abdiaziz

 

Abb.3: Simuliertes 2D-Spektrum in dem die EPR-Übergangsfrequenzen eines geradzahligen Spinzustands (S = 1) mit sehr großer Nullfeldaufspaltung aufgetragen sind. Das Schema zeigt das THz-EPR-Spektrometer des Joint Lab EPR4Energy.

Übergangsmetallionen in Hochspinzuständen

Das Ziel von EPR-Messungen an Hochspinzuständen (S > 1/2) von Übergangsmetallionen ist die Bestimmung ihrer Spinkopplungsparameter. Letztere sind empfindliche Sonden der Koordinationsumgebung und der elektronischen Struktur, die sowohl die magnetischen als auch die chemischen Eigenschaften des Ions bestimmen. Im Falle katalytisch aktiver Übergangsmetalle können die Kopplungen einzigartige Informationen über den Struktur-Funktions-Zusammenhang liefern, wobei vor allem die sogenannten Nullfeldaufspaltungen der Elektronenspins entscheidende Informationen enthalten. Jedoch sind diese Parameter mit herkömmlichen Spektrometern häufig nicht zugänglich. Um diese Lücke zu schließen entwickelt die EPR-Gruppe neuartige Hochfrequenz/Hochfeld-Spektrometer mit Anwendungsenergien bis in den THz-Bereich und setzt sie für Studien an einer Vielzahl katalytisch relevanter Hochspinsysteme (u.a. FeII,III,IV, CoIII, NiI, MnIII,IV) ein.

T. Al Said; D. Spinnato; K. Holldack; F. Neese; J. Cornella; A. Schnegg, Direct Determination of a Giant Zero-Field Splitting of 5422 cm–1 in a Triplet Organobismuthinidene by Infrared Electron Paramagnetic Resonance. J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 84, https://doi.org/10.1021/jacs.4c14795.

Lohmiller, T.; Spyra, C.-J.; Dechert, S.; Demeshko, S.; Bill, E.; Schnegg, A.; Meyer, F. (2022) Antisymmetric Spin Exchange in a μ-1,2-Peroxodicopper(II) Complex with an Orthogonal Cu–O–O–Cu Arrangement and S = 1 Spin Ground State Characterized by THz-EPR. JACS Au, https://doi.org/10.1021/jacsau.2c00139

Kontakt: Dr. Alexander Schnegg

  

Abb. 4: A In-situ-EPR-Detektionsschemata, die die Vielseitigkeit des EPRoC-Sensors illustrieren: (i) Integration in die Arbeitselektrode einer elektrochemischen Zelle. (ii) Charakterisierung von paramagnetischen Zuständen in flüssiger Lösung. B Mikroskopbild eines EPRoC-Sensorarrays mit 12 gekoppelten, spannungsgesteuerten Oszillatoren (blau), die als Mikrowellenquelle und -detektor dienen.

EPR-on-a-Chip (EPRoC)

EPRoC sind mm-große Sensoren, die eine Mikrowellenquelle und einen -detektor auf einem Halbleiterchip enthalten und einen grundlegenden Paradigmenwechsel in der EPR-Spektroskopie einleiten, indem sie in-situ-Messungen von paramagnetischen Proben in miniaturisierten Aufbauten auf kosteneffiziente Weise ermöglichen. Wir entwickeln EPR-Detektionsschemata, bei denen EPRoC-Sensoren, die in der Anders Gruppe (Universität Stuttgart) entwickelt werden, in verschiedenen Umgebungen eingesetzt werden, um paramagnetische Zustände mit Relevanz für die Katalyse- und Batterieforschung zu untersuchen. Dabei sind wir an ihrer Integration in Elektroden von elektrochemischen Experimenten interessiert. Die Forschung mit EPRoC-Sensoren wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert (Förderkennzeichen: 03SF0565A).

Kontakt: Dr. Takuma Sato

Bonke, S. A.; Risse, T.; Schnegg, A.; Brückner, A. (2021) In situ electron paramagnetic resonance spectroscopy for catalysis. Nature Review Methods Primers, https://doi.org/10.1038/s43586-021-00031-4 

Abb. 5: Multifrequenz-EPR-Spektren und Spindichtekarte eines paramagnetischen Bi(II)-Pincerkomplexes, der in der radikalischen Redoxchemie von Bedeutung ist.

Charakterisierung aktiver Zentren mit Multifrequenz-EPR- und Hyperfeinspektroskopie

Die Identifizierung und Charakterisierung katalytisch aktiver Zentren ist zentral für das Verständnis katalytischer Prozesse. Aktive Zentren sind häufig paramagnetisch. Sie können daher hervorragend mit Hilfe der EPR-Spektroskopie untersucht werden, die wichtige Details ihrer geometrischen und elektronischen Struktur liefert. In unserer Gruppe werden hochauflösende Multifrequenz- (S-, X-, Q- und W-Band) und Multiresonanz-EPR-Techniken eingesetzt, um funktionsrelevante Informationen in den verschiedenen Zweigen der Katalyse zu erhalten, die von der homogenen Katalyse über die heterogene Katalyse bis zu heterogenisierten Einzelatomkatalysatoren reichen.  Mit Hilfe der Hyperfeinspektroskopie (HYSCORE, ENDOR und EDNMR) nutzen wir Kernspins um die erste und zweite Koordinationssphäre aktiver Zentren zu charakterisieren. Dadurch können spezifische Merkmale der chemischen Bindungen beleuchtet werden, die für das Verständnis der katalytischen Eigenschaften aktiver Zentren entscheidend sind. Die Verbindung der katalytischen und chemischen Eigenschaften einerseits mit den durch die EPR ermittelten Spineigenschaften andererseits erfolgt mit Hilfe modernster quantenchemischer Methoden. Auf diese Weise werden Struktur-Eigenschafts-Korrelationen gewonnen.

Z. Qiu; P. C. Bruzzese; Z. Wang; H. Deng; M. Leutzsch; C. Farès; S. Chabbra; F. Neese; A. Schnegg; C. N. Neumann, 3-Center-3-Electron σ-Adduct Enables Silyl Radical Transfer below the Minimum Barrier for Silyl Radical Formation. J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 12024, https://doi.org/10.1021/jacs.4c18445.

X. Yang; E. J. Reijerse; N. Nöthling; D. J. SantaLucia; M. Leutzsch; A. Schnegg; J. Cornella, Synthesis, Isolation, and Characterization of Two Cationic Organobismuth(II) Pincer Complexes Relevant in Radical Redox Chemistry. J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 5618−5623, https://doi.org/10.1021/jacs.2c12564.

Kontakt: Dr. Alexander Schnegg und Dr. Leonid Rapatskiy