Meine Merkliste
my.chemie.de  
Login  

Nanotechnologie ermöglicht neue Einblicke in chemische Reaktionen

Neuartige Methode, die die Suche nach optimalen Katalyse-Verfahren beschleunigen dürfte

09.01.2017

Paul Scherrer Institut/Markus Fischer

Grosse Anlage zur Untersuchung kleinster Körnchen: Synchrotron Lichtquelle Schweiz des PSI.

In der chemischen Industrie werden 80 Prozent aller Produkte mit Katalyse-Verfahren hergestellt. Auch in der Energieumwandlung und -speicherung und der Abgasreinigung sind sie unverzichtbar. Das Beisein eines Katalysators sorgt dafür, dass chemische Reaktionen in Gang gebracht oder beschleunigt werden. Entsprechend wichtig ist, dass diese Verfahren möglichst schnell und effizient ablaufen; das schont die Umwelt, spart Zeit und Ressourcen. Deshalb hat die Industrie grosses Interesse daran, katalytische Verfahren zu optimieren. «Dafür braucht sie ein tieferes Verständnis davon, was auf molekularer Ebene vor sich geht», sagt Jeroen van Bokhoven, Professor für heterogene Katalyse an der ETH Zürich und Leiter des Labors Katalyse und nachhaltige Chemie am PSI.

Modellversuch mit unerreichter Präzision

Dieses tiefere Verständnis kann ein neuer Ansatz liefern: Das Team um van Bokhoven und Waiz Karim baute ein Modellsystem, in dem die Katalyse bis ins kleinste Detail untersucht werden kann. Für den Modellversuch verwendete das Team Eisenoxid, das durch Zugabe von Wasserstoff und unter Beihilfe des Katalysators Platin zu Eisen umgewandelt wird. Das Platin spaltet den molekularen Wasserstoff in elementaren Wasserstoff auf. Als solcher kann er leichter mit dem Eisenoxid reagieren, das sich auch in einer gewissen Entfernung von dem Platin befinden kann.

Der Clou des Modells: Mithilfe modernster Elektronenstrahl-Lithografie, die sonst vor allem in der Halbleitertechnik eingesetzt wird, gelang es, winzige, aus nur wenigen Atomen bestehende Partikel auf ein Trägermaterial aufzubringen. Diese Körnchen platzierten die Forschenden paarweise in einem rasterartigen Modell in verschiedenen Abständen zueinander. «Wir konnten so 16 verschiedene Situationen auf einmal testen und dabei Grösse, Form und Abstand der Partikel auf den Nanometer genau bestimmen», erklärt Waiz Karim, der sowohl an der ETH Zürich als auch am PSI tätig ist.

Neu ist nicht nur die Präzision der Partikelplatzierung sondern auch die genaue Beobachtung der chemischen Reaktionen. Diese ermöglichte ein spezielles Verfahren zur mikroskopischen Untersuchung solch winziger Körnchen mittels Röntgenstrahlen.

Chemische Wissenschaft enorm voranbringen

Wie sich zeigte, spielen sich manche Phänomene aber in noch kleineren Dimensionen ab. So auch der sogenannte Wasserstoff-Spillover-Effekt, der zur Effizienz einer Katalyse mit Wasserstoff beiträgt. Den Effekt hat man zwar bereits 1964 entdeckt, bislang aber nicht bis ins Detail verstehen und visualisieren können. Die PSI- und ETH-Forschenden konnten den Effekt mit ihrem Modell erstmals mit der nötigen Präzision untersuchten und klären, unter welchen Umständen er auftritt.

«Unser Verfahren basiert auf drei Säulen», fasst Jeroen van Bokhoven zusammen. «Die Nanofabrikation des Modellsystems, die präzise Messung der chemischen Reaktionen, und dazu die theoretische Modellierung: Im Einklang mit unseren Experimenten haben wir den Prozess bis hinunter auf die molekulare Ebene beschrieben.» Dies dürfte die chemische Wissenschaft insgesamt enorm voranbringen: «Wir öffnen damit eine ganz neue Dimension, um Katalyse-Verfahren zu untersuchen und zu verstehen. Und mit diesem Verständnis können dann die Herstellungsprozesse viel gezielter verbessert werden.»

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • ETH Zürich
  • Paul Scherrer Institut
  • Eisenoxid
  • Elektronenstrahllit…
  • Wasserstoff-Spillov…
Mehr über ETH Zürich
  • News

    Nanopartikel bleiben unberechenbar

    Das Verhalten von Kleinstteilchen in der Umwelt ist äusserst komplex. Um dieses umfassend zu verstehen, fehlt es heute an systematischen Experimentaldaten, wie ETH-Umweltwissenschaftler in einer grossen Übersichtsstudie zeigen. Eine standardisiertere Herangehensweise würde das Forschungsfel ... mehr

    Plättchen statt Quantenpunkte

    Forscher um ETH-Professor David Norris klären anhand eines Modells den generellen Mechanismus, wie sich Nano-Plättchen bilden. Mit Katzengold konnten sie ihre Theorie auch gleich bestätigen. Die Wissenschaft erforscht seit den 1980er-Jahren farbig leuchtende Quantenpunkte (engl.: Quantum Do ... mehr

    Kleinstmagnete für zukünftige Datenspeicher

    Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Chemikern der ETH Zürich hat eine neue Methode entwickelt, um eine Oberfläche mit einzelnen magnetisierbaren Atomen zu bestücken. Interessant ist dies insbesondere für die Entwicklung neuartiger winziger Datenträger. Die Idee ist faszin ... mehr

  • Forschungsinstitute

    ETH Zürich Inst.f. Lebensm.wiss.,Ern.,Ges.

    Die Kernkompetenzen des Labors für Lebensmittelmikrobiologie sind die Detektion und Kontrolle von pathogenen Organismen im Lebensmittel, die Analyse komplexer Mikrofloren und molekulare Mechanismen der bakteriellen Pathogenität. mehr

  • Universitäten

    Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

    mehr

  • q&more Artikel

    Analytik in Picoliter-Volumina

    Zeit, Kosten und personellen Aufwand senken – viele grundlegende sowie angewandte analytische und diagnostische Herausforderungen können mit Lab-on-a-Chip Systemen realisiert werden. Sie erlauben die Verringerung von Probenmengen, die Automatisierung und Parallelisierung von Arbeitsschritte ... mehr

    Investition für die Zukunft

    Dies ist das ganz besondere Anliegen und gleichzeitig der Anspruch von Frau Dr. Irmgard Werner, die als Dozentin an der ETH Zürich jährlich rund 65 Pharmaziestudenten im 5. Semester im Praktikum „pharmazeutische Analytik“ betreut. Mit Freude und Begeisterung für ihr Fach stellt sie sich imm ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Petra S. Dittrich

    Jg. 1974, ist Außerordentliche Professorin am Department Biosysteme der ETH Zürich. Sie studierte Chemie an der Universität Bielefeld und Universidad de Salamanca (Spanien). Nach der Promotion am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen war sie Postdoktorandin am ISAS In ... mehr

    Dr. Felix Kurth

    Jg. 1982, studierte Bioingenieurwesen an der Technischen Universität Dortmund und an der Königlich Technischen Hochschule in Stockholm. Für seine Promotion, die er 2015 von der Eidgenössisch Technischen Hochschule in Zürich erlangte, entwickelte er Lab-on-a-Chip Systeme und Methoden zur Qua ... mehr

    Lucas Armbrecht

    Jg. 1989, studierte Mikrosystemtechnik an der Albert-Ludwigs Universität in Freiburg im Breisgau. Während seines Masterstudiums konzentrierte er sich auf die Bereiche Sensorik und Lab-on-a-Chip. Seit dem Juni 2015 forscht er in der Arbeitsgruppe für Bioanalytik im Bereich Einzelzellanalytik ... mehr

Mehr über Paul Scherrer Institut
  • News

    3-D-Röntgenbild macht feinste Details eines Computerchips sichtbar

    Forschende des PSI haben detaillierte 3-D-Röntgenbilder eines handelsüblichen Computerchips erstellt. In ihrem Experiment haben sie ein kleines Stück aus dem Chip untersucht, das sie zuvor herausgeschnitten hatten. Diese Probe blieb dabei während der Messung unbeschädigt. Für Hersteller ist ... mehr

    Neues Material für energiesparende Datenspeicher

    Ein neues Material könnte zur Grundlage zukünftiger Datenspeicher werden, denn im Vergleich zu heutigen Festplatten liesse sich damit der Energiebedarf in der Datenspeicherung deutlich senken. Forschende am PSI haben dieses neue Material geschaffen, das ein grosses Potenzial für zukünftige ... mehr

    Die Stoffe, die Wolken heller machen

    Wolken bestehen aus winzigen Tröpfchen. Diese Tröpfchen bilden sich, wenn das Wasser an sogenannten Aerosolen kondensiert – an kleinen Partikeln in der Atmosphäre. Um besser zu verstehen, wie wiederum Aerosole entstehen, haben Forschende nun eine umfassende Computersimulation auf der Grundl ... mehr

  • Forschungsinstitute

    Paul Scherrer Institut (PSI)

    Das Paul Scherrer Institut (PSI) ist ein multidisziplinäres Forschungszentrum für Naturwissenschaften und Technologie, das national und international eng mit Hochschulen, andern Forschungsinstituten, den Fachhochschulen und der Industrie zusammenarbeitet. Mit seinen rund 1300 Mitarbeiterin ... mehr

Ihr Bowser ist nicht aktuell. Microsoft Internet Explorer 6.0 unterstützt einige Funktionen auf Chemie.DE nicht.