Die para-hydrogen induced polarization (PHIP) ist eine leistungsstarke Methode zur Steigerung der Empfindlichkeit in der NMR. Eine der wichtigsten Varianten ist die  „hydrogenative“ PHIP. Sie nutzt den Singulett-Spinzustand des para-Wasserstoffs, der im NMR nicht sichtbar ist, und überträgt ihn durch Symmetriebruch in einer Hydrierungsreaktion in einen nachweisbaren Produkt-Spinzustand. Der nachweisbare Spinzustand ist durch eine hohe Kernspinpolarisation gekennzeichnet, die mehrere Größenordnungen erreichen kann. Während in der Vergangenheit hauptsächlich Katalysatoren aus der Platingruppe verwendet wurden, untersuchen wir in aktuellen Projekten alternative Eisenkatalysatoren, um PHIP für diese zu etablieren. Diese Studien helfen uns, Fe-basierte katalytische Prozesse zu verstehen, die im Rahmen der nachhaltigen Chemie im CRC “Iron Upgraded” (www.chemie.tu-darmstadt.de/iron-upgraded) erforscht werden.

Ein Forschungsschwerpunkt liegt auf funktionellen Materialien auf Basis von Cellulose/Papier. Durch eine geeignete Oberflächenfunktionalisierung des cellulosehaltigen Trägermaterials mit Polymeren, kleinen organischen Molekülen oder Biomolekülen können diese Materialien so modifiziert werden, dass sie in der Energiespeicherung, der Sensorik oder Optik eingesetzt werden können. Die Gutmann-Gruppe entwickelt und wendet analytische Techniken an, um die Oberflächenfunktionalisierungen zu identifizieren und die Struktur und Dynamik dieser ungeordneten Materialien zu charakterisieren. Als wichtiges Werkzeug verwendet sie eine Kombination aus Festkörper-NMR- und dynamischer Kernpolarisationsverfahren (DNP).
Seit September 2023 ist die Gruppe am Pathfinder-Projekt VanillaFlow (Artificial Intelligence Guided Development of Vanillin-based Flow Batteries) des European Innovation Council (EIC) beteiligt (www.vanillaflow.eu). Hier entwickelt die Gruppe Festkörper-NMR-Verfahren für die Untersuchung lokaler Strukturen und Dynamiken in neuartigen papierbasierten Membranen, die in der modernen Redox-Flow-Batterietechnologie eingesetzt werden können. Das Projekt wird als EIC-Transition IonPap ab April 2026 fortgeführt, in dem die entwickelten NMR-Verfahren zur Qualitätskontrolle für Redox-Flow-Batterien angewendet werden sollen.

2021 begann die Gruppe im Rahmen des EU-Projekts SIMBA (www.simba-h2020.eu) mit der Untersuchung von Natrium-/Natrium-Ionen-Batterien und ihren Komponenten unter Verwendung von ex-situ und in-situ Festkörper-NMR. Dabei werden Fragen wie die strukturelle Interkalation von Natrium in Elektrodenmaterialien in Feststoffbatteriesystemen behandelt. Darüber hinaus werden strukturelle Veränderungen der Materialien unter Arbeitsbedingungen untersucht, um Prozesse während des Zyklierens zu verstehen, die die Effizienz und Lebensdauer der Energiespeichersysteme beeinflussen können. 

Seit mehr als 10 Jahren beschäftigt sich die Gruppe mit heterogenisierten Katalysatoren. Als Beispiele werden metallische Nanopartikel sowie Trägerkatalysatoren untersucht, die für technische Reaktionen wie Hydrierung, CO-Oxidation, Hydroformylierung, Wassergas-Shift-Reaktion usw. von großem Interesse sind. Unser Fokus gilt der Identifizierung katalytischer Spezies sowie der Gewinnung von Erkenntnissen über die Oberflächenchemie dieser Katalysatorsysteme, die einen grundlegenden Schritt zu ihrer Optimierung für technische Anwendungen darstellt. Hier verwenden wir eine Kombination aus Festkörper-NMR und Gasphasen-NMR. Seit 2022 ist die Gruppe am SFB 1487 „Iron Upgraded” (www.chemie.tu-darmstadt.de/iron-upgraded) beteiligt und beschäftigt sich mit Hydrierreaktionen und H/D-Austauschreaktionen mit Eisenkatalysatoren.