18.07.2018 - Technische Universität Berlin

Bestimmt Ordnung oder Unordnung die Katalyse?

Wichtige Vereinheitlichung in der Beschreibung von chemisch-katalytischen Prozessen gelungen

Kaum ein chemischer Prozess kommt heute noch ohne Katalyse aus. Die überwiegende Mehrzahl aller Herstellungs- und Umwandlungsprozesse in der Chemischen Industrie laufen katalytisch ab. Ein wichtiger katalytischer Prozess ist die Umwandlung von Luftsauerstoff zu Wasser. Diese Reaktion wird unter anderem in der Sensorik oder auch in der Korrosionstechnologie eingesetzt. Besondere Bedeutung hat er vor allem für die Technologie der chemischen Energiespeicherung und Energiewandlung in Batterien und Brennstoffzellen. Die leistungsfähigsten Katalysatoren für diese Reaktion bestehen aus Legierungen des teuren und seltenen Elements Platin. Seit Jahren ist bekannt, dass Platinlegierungen, deren Oberflächen eine exakt definierte strukturelle Ordnung der Atome einhalten, sehr aktive Katalysatoren darstellen.

„Zur Verblüffung der Wissenschaft zeigen Forschungen der letzten Jahre jedoch auch, dass strukturell völlig ungeordnete Varianten solcher Platinlegierungen, entstanden durch Abnutzung und Alterung der Katalysatoren, eine ebenso hohe katalytische Aktivität aufweisen“, erläutert Prof. Dr. Peter Strasser, Fachgebietsleiter „Elektrochemische Katalyse und Materialien“ an der TU Berlin. „Diese beiden Beobachtungen schienen jedoch unvereinbar.“

Nun ist es dem Team der TU Berlin um Peter Strasser in enger Zusammenarbeit mit französischen Kolleginnen und Kollegen der Universität Grenoble Alpes und des dortigen Centre nationale de la recherche scientifique (CNRS), mit Schweizer Kolleginnen und Kollegen der ETH Zürich und des Paul-Scherrer-Instituts sowie mit deutschen Kolleginnen und Kollegen der TU Dresden gelungen, eine umfassendere Beschreibung dieser beiden Katalysator-Typen und ihrer Reaktion zu entwickeln, welche die Widersprüche aufzuklären vermag.

Eine wichtige Rolle spielt dabei die Verzerrung der Oberflächenstruktur (Distortion), ein struktureller Parameter, der die Unordnung in der Anordnung der einzelnen Atome auf der Platinoberfläche beschreibt und beide Katalysatortypen einschließt. Die streng einheitliche Anordnung der Metallatome liefert für diese Reaktion die besten Voraussetzungen für hohe katalytische Reaktivität. Strukturelle Unordnung bietet jedoch die breiteste atomare Diversität an der Oberfläche und damit viele verschiedene atomare Anordnungen, von denen eine kleine Zahl ebenfalls sehr aktiv sein kann. Dies führt in Summe ebenfalls zu hoher katalytischer Reaktivität. Anschaulich könnte man das mit einem Wurf auf einen Basketballkorb vergleichen: Ein Profi-Spieler bekommt einen Versuch und wirft einen Korb. Das entspräche einer kleinen Anzahl definierter Muster der Atome an der Katalysatoroberfläche. Im Vergleich dazu hat eine ganze Schulklasse, bei der alle Kinder gleichzeitig auf Körbe werfen, statistisch eine ähnlich hohe Wahrscheinlichkeit, mindestens einen Korb zu werfen, wie der Profi mit einem Wurf. Das entspräche einer großen Zahl unterschiedlicher Muster der Atome an der Katalysatoroberfläche.

Die jetzt in Nature Materials veröffentlichten Experimente belegen: Eine Vergrößerung der Oberflächenverzerrung ist der Schlüssel zum Verständnis der Alterungsprozesse von anfänglich wohl geordneten, aktiven Katalysatoren, aufgrund welcher sie sich in ungeordnete, aber immer noch aktive Katalysatoren verwandeln.

Schließlich erlaubt die vereinheitlichte Beschreibung der beiden Katalysatoren-Typen nicht nur ein tieferes Verständnis der Funktionsweise bekannter Katalysatoren, sondern stellt auch eine Möglichkeit dar, neuartige, noch leistungsfähigere Katalysatoren für zukünftige Energiespeicher- und wandlungstechnologien vorherzusagen.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • ETH Zürich
  • Technische Universi…
  • CNRS
  • Paul Scherrer Institut
  • TU Dresden
Mehr über TU Berlin
  • News

    Neuer KI-Algorithmus generiert innovative Substanzen auf Basis von gewünschten Eigenschaften

    In der Medizin, in der Batterieforschung oder in der Materialwissenschaft – überall sind Wissenschaftler*innen auf der Suche nach innovativen Substanzen. Dabei können die Forscher*innen oft sehr detailliert die gewünschten chemischen und physikalischen Eigenschaften bis auf die atomare Eben ... mehr

    Neuer Algorithmus treibt den Einsatz von KI in den Materialwissenschaften voran

    Noch weitgehend Neuland ist der Einsatz von Künstlicher Intelligenz (KI) in den klassischen Wissenschaften wie Chemie, Physik oder Mathematik: Forscher des Berlin Institutes for the Foundation of Learning and Data (BIFOLD) an der TU Berlin in Zusammenarbeit mit Google Research ist es nun ge ... mehr

    Das INKULAB an der TU Berlin bietet Laborplätze für Gründer

    Am 26. Oktober 2020 übergaben die WISTA Management GmbH und die IHK Berlin das Inkulab, eine vollausgestattete Laborcontainer-Anlage, an die Technische Universität Berlin. Ziel des Inkulabs ist es, Gründern aus den Life-Sciences, der Grünen Chemie und der Nanotechnologie durch die Bereitste ... mehr

  • Videos

    Science friction: Adhesion of complex shapes

    We investigate experimentally and numerically adhesion of contacts having complex shape. mehr

    Katalysatoren für die Umwandlung von Methan

    Methan ist Hauptbestandteil von Biogas und Erdgas. Bei der Erdölförderung werden Milliarden Kubikmeter Methan ungenutzt abgefackelt, weil oft wirtschaftliche Transportmöglichkeiten fehlen. Dieses Problem will der Berliner Exzellenzcluster „Unifying Concepts in Catalysis“ (UniCat) mit Hilfe ... mehr

  • q&more Artikel

    Wasser statt Mineralöl

    Grundlage vieler Medikamente sind Wirkstoffe aus chiralen Bausteinen. Für die chemische Herstellung sind teure Edelmetallkatalysatoren notwendig, die sich aufgrund ihrer thermischen Instabilität bei höheren Temperaturen zersetzen und daher nur einmal verwendet werden können. mehr

    David gegen Goliath

    Wo der Laie nur ekligen Schimmel sieht, offenbart sich beim Blick durch das Mikroskop eine ganz besondere Welt der Ästhetik. Ein ­filigranes Netzwerk aus lang gestreckten und verzweigten Pilz­hyphen durchsetzt das Substrat, Lufthyphen erobern den Luftraum und bilden farbige Sporen, mit dene ... mehr

  • Autoren

    Dr.-Ing. Henriette Nowothnick

    Jg. 1980, studierte Chemie an der Technischen Universität Berlin. Sie promovierte 2010 in der Arbeitsgruppe von Prof. R. Schomäcker über die Reaktionsführung der Suzuki-Kupplung in Mikro­emulsionen mit dem Ziel des Katalysator Re-using und der Produktisolierung. 2011 bis 2012 arbeitete sie ... mehr

    Dipl. Ing. Sonja Jost

    Jg. 1980, studierte Wirtschafts­ingenieurwesen / Technische Chemie an der Technischen Universität Berlin. Von 2006 bis 2011 erhielt sie verschiedene Forschungsstipendien im Bereich der homogenen chiralen Katalyse. 2011 bis 2012 war sie Projektleiterin eines Drittmittelprojekts zum Thema „Ka ... mehr

    Prof. Dr. Vera Meyer

    Vera Meyer, geb. 1970, studierte Biotechnologie an der Universität ­Sofia und der Technischen Universität Berlin, wo sie 2001 promovierte. Nach Forschungs- aufenthalten am Imperial College London und der Universität Leiden habilitierte sie 2008 an der Technischen Universität Berlin. Von 200 ... mehr

Mehr über ETH Zürich
  • News

    Neue Reaktion erleichtert Medikamentensuche

    Chemiker:innen haben eine einfache Reaktionsmethode gefunden, mit der sich ein wichtiger chemischer Baustein direkt in andere Arten von Verbindungen umwandeln lässt. Das erweitert die Möglichkeiten der Chemie und erleichtert die Suche nach neuen Wirkstoffen. Arzneimittel wirken immer präzis ... mehr

    Chemische Synthese per Knopfdruck

    In vielen chemischen Labors werden tagtäglich routinemässig chemische Synthesen durchgeführt, die viel Zeit benötigen. Das ETH Spin-​off Synple Chem will das mit einem Gerät vereinfachen, das fast so einfach zu verwenden ist wie eine Kapsel-​Kaffeemaschine. Es ist schon eine Weile her, seit ... mehr

    So könnte der Mond entstanden sein

    Die Entdeckung hilft zu verstehen, wie der Mond und möglicherweise auch die Erde und weitere Himmelskörper entstanden sind. Der Mond fasziniert Menschen seit jeher. Doch erst zur Zeit von Galileo Galilei begannen Wissenschaftler, ihn richtig zu untersuchen. Im Laufe von Jahrhunderten stellt ... 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

  • 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 Centre National de la Recherche Scientifique
Mehr über Paul Scherrer Institut
  • News

    Spiegelbildliche Moleküle leichter unterscheiden

    Mithilfe einer neuen Methode lassen sich spiegelbildliche Substanzen besser voneinander unterscheiden. Das ist unter anderem bei der Herstellung von Arzneimitteln wichtig, weil die beiden Varianten völlig unterschiedliche Wirkungen im menschlichen Körper entfalten können. Das neue Verfahren ... mehr

    Lichtverstärkung beschleunigt chemische Reaktionen in Aerosolen

    Aerosole in der Atmosphäre reagieren unter Sonnenlichteinstrahlung. Im Innern der Aerosol-​Tröpfchen und -​Partikel wird das Licht verstärkt, was die Reaktionen beschleunigt, wie ETH-​Forschende nun zeigen und beziffern konnten. Die Wissenschaftler:innen raten, den Effekt in künftigen Klima ... mehr

    Blick in die magnetische Zukunft

    Der Einblick in die Vorgänge innerhalb von solch künstlichem Spin-​Eis könnte eine wichtige Rolle spielen bei der Entwicklung neuartiger Hochleistungsrechner. Gefriert Wasser zu Eis, ordnen sich die Wassermoleküle mit ihren Wasserstoff-​ und Sauerstoffatomen in einer komplexen Struktur an. ... 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

Mehr über TU Dresden
  • News

    Organische Dünnschichtsensoren für die Analyse von Lichtquellen und den Einsatz in der Fälschungssicherheit

    In einer aktuellen Publikation des Fachjournals „Advanced Materials“ stellt ein Team aus Physikern und Chemikern der TU Dresden einen organsichen Dünnschichtsensor vor, der eine ganz neue Art der Wellenlängenidentifikation von Licht beschreibt und eine spektrale Auflösung unterhalb eines Na ... mehr

    Neues Fell für die Quantenkatze

    Ob Magnete oder Supraleiter: Materialien sind für ihre Eigenschaften bekannt. Doch unter extremen Bedingungen können sich solche Eigenschaften spontan ändern. Ein Forschungsteam der Technischen Universität Dresden (TUD) und der Technischen Universität München (TUM) hat einen vollkommen neue ... mehr

    Grüne Klebstoffe aus Molke

    Fraunhofer-Forschende haben gemeinsam mit der TU Dresden ein Verfahren entwickelt, bei dem aus Molke wertvolles Ethylacetat in hoher Reinheit gewonnen wird. Dieses kann beispielsweise für die Herstellung umweltfreundlicher Klebstoffe verwendet werden und ersetzt damit das herkömmliche Ethyl ... mehr

  • Autoren

    Dr. Torsten Tonn

    Torsten Tonn ist Professor für Transfusionsmedizin an der Medizinischen Fakultät Carl Gustav Carus, Technische Universität Dresden. Er ist ebenfalls Geschäftsführer des DRKBlutspendedienstes Nord-Ost. Vor dieser Stellung leitete er den Bereich für Zell- und Gentherapie des Instituts für Tra ... mehr