Teamarbeit bei Katalysatorpartikeln

24.03.2011 - Deutschland

Jeder Fußballexperte weiß genau: Eine erfolgreiche Mannschaft benötigt Spieler mit unterschiedlichsten Fähigkeiten. Ähnlich verhält es sich offensichtlich bei komplexen chemischen Prozessen, die durch katalytische Materialien beschleunigt werden. Diese Katalysatoren bestehen aus verschiedenen, nur wenige Nanometer großen Komponenten, deren Zusammenarbeit von entscheidender Bedeutung ist. Wenn die Teamarbeit funktioniert, entstehen Fähigkeiten, die über diejenigen der einzelnen Komponenten weit hinausgehen.

Dies konnten nun Forscher der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) unter Leitung von Jörg Libuda, Professor für Physikalische Chemie, im Rahmen eines internationalen Kooperationsprojektes mit Arbeitsgruppen aus Barcelona, Prag und Triest zeigen. Die Ergebnisse dieses Projektes, das unter anderem auch durch den Erlanger Excellenzcluster Engineering of Advanced Materials unterstützt wird, wurden in der Zeitschrift Nature Materials veröffentlicht.

„Black magic“ in der Katalysator-Produktion

Heterogen katalysierte Prozesse spielen eine entscheidende Rolle bei der energie- und rohstoffeffizienten Produktion der meisten industriell hergestellten Chemikalien, ebenso wie bei zukünftigen Schlüsseltechnologien in der Energietechnik und der Umwelttechnik. Mit dem Wort „heterogen“ wird ausgedrückt, dass der Katalysator und die reagierenden Stoffe in unterschiedlichen Aggregatzuständen vorliegen: als Feststoff, Gas oder Flüssigkeit. Die hier eingesetzten Materialien sind meist hochkomplex. Einblicke in die Funktionsweise solcher Materialien zu erhalten, erweist sich daher als außerordentlich schwierig. Aus diesem Grunde werden heterogene Katalysatoren in den meisten Fällen rein empirisch – durch Versuch und Irrtum – optimiert, weshalb deren Herstellung in vielen Fällen als „schwarze Magie“ umschrieben wird.

Dem internationalen Forscherteam ist es nun gelungen, vereinfachte Modellsysteme für solche Katalysatoren herzustellen. Diese gestatten auf der einen Seite Untersuchungen mittels modernster experimenteller Verfahren, zum Beispiel mittels sogenannter Synchrotronstrahlung, auf der anderen Seite aber auch die Anwendung moderner theoretischer, sogenannter quantenmechanischer Methoden. Zusammen bieten Theorie und Experiment die Möglichkeit, detaillierte Einblicke in die Funktionsweise dieser komplexen Materialien zu erhalten.

Dabei zeigte es sich, dass es gerade diese komplexe Struktur ist, die neue Eigenschaften entstehen lässt: Die Katalysatoren bestehen aus Oxid- und Metallpartikeln, die nur wenige Nanometern groß sind, aber in engen Kontakt gebracht werden müssen. Die besondere chemische Reaktivität entsteht dann durch Zusammenarbeit der unterschiedlichen Komponenten. Nur wenn sie in Form kleiner Nanopartikel vorliegen, können diese untereinander hochreaktive Sauerstoffspezies austauschen und dadurch völlig neue Reaktionswege eröffnen.