01.12.2015 - Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie

Warum Wasserstoffatome an Metalle binden

Katalysatoren moderner Autos sorgen für sauberere Luft: Sie wandeln giftige Abgasbestandteile von Benzin- oder Dieselmotoren in Gase um, die für die Natur unschädlich sind. Die zugrundeliegenden chemischen Reaktionen werden dabei von bestimmten Edelmetallen vermittelt, die auf die Oberfläche eines Keramikkörpers aufgebracht werden. Solche katalytischen Reaktionen an Oberflächen sind allerdings äußerst komplex, denn sie erfordern eine Vielzahl elementarer Schritte. Vorherzusagen, welche Verbindungen katalytisch gut wirksam sind, bleibt daher äußerst schwierig. Das Team um die Physiko-Chemiker Oliver Bünermann und Alec Wodtke hat jetzt aufgeklärt, warum Wasserstoffatome an Metalle binden. Die Forscher sind dem Ziel, Reaktionen an Oberflächen im Detail zu verstehen, damit einen großen Schritt nähergekommen. Ihre Ergebnisse könnten zukünftig dazu beitragen, katalytische Vorgänge wie die Abgasentgiftung weiter zu verbessern und neue katalytisch einsetzbare Stoffe zu identifizieren.

Man stelle sich vor, ein geübter Billardspieler stößt einen Tischtennisball gegen eine Billardkugel. Jeder von uns weiß intuitiv, was dann passiert: Der Tischtennisball springt von der Billardkugel zurück, die Kugel selbst bleibt bewegungslos liegen. Die Ursache dafür ist der große Masseunterschied zwischen den beiden. Er verhindert, dass der kleine Tischtennisball seine Bewegungsenergie wirksam auf die schwerere Billardkugel übertragen kann.

Überträgt man das Spiel der Bälle am Billardtisch auf Atome in einem chemischen Experiment, beobachten Forscher allerdings überraschende Unterschiede: Anders als ein Tischtennisball springt das leichtere Atom nicht in allen Fällen zurück, sondern bleibt manchmal am schwereren Partner kleben. Diese Haftung von Atomen macht chemische Reaktionen an Oberflächen überhaupt erst möglich. Doch warum verhalten sich Atome völlig anders als die gespielten Bälle?

Die Ursache, warum Atome an manchen Oberflächen „kleben“ bleiben, hat jetzt ein Forscherteam um Oliver Bünermann, Leiter der Gruppe Atom-Surface Scattering Dynamics an der Universität Göttingen, und Alec Wodtke, Direktor am Max-Planck-Institut (MPI) für biophysikalische Chemie und Professor am Institut für Physikalische Chemie an der Universität Göttingen, in einem aufwändigen Experiment aufgeklärt.

Um zu verstehen, wie die Haftung von Atomen an Oberflächen grundsätzlich funktioniert, untersuchten die Göttinger Wissenschaftler den theoretisch einfachsten Fall: wie sich Wasserstoffatome an verschiedenen Oberflächen verhalten. „Dazu haben wir Wasserstoffatome mit genau bekannter Geschwindigkeit auf eine Gold- und eine Xenon-Oberfläche geschossen. Beide Elemente haben völlig unterschiedliche Eigenschaften: Gold ist ein elektrischer Leiter, der freie Elektronen besitzt. Das Edelgas Xenon dagegen ist ein Isolator ohne freie Elektronen“, erläutert Wodtke. Anschließend maßen die Forscher, mit welcher Geschwindigkeit die Atome zurückprallten und berechneten aus dem Geschwindigkeitsunterschied, wie viel Energie vom Wasserstoffatom auf die Oberfläche übertragen worden war.

„Wasserstoff- und Xenonatome haben sich in unserem Experiment ganz ähnlich verhalten wie der Tischtennisball und die Billardkugel. Die Wasserstoffatome prallten von den sehr viel schwereren Xenonatomen ab und verloren fast keine Energie im Stoß. Ganz anders dagegen verhielten sich die Wasserstoffatome, wenn sie auf schwerere Goldatome geschossen wurden. Sie verloren einen großen Teil ihrer Energie“, erzählt Bünermann, Erstautor der jetzt im Wissenschaftsjournal Science veröffentlichten Publikation. „Des Rätsels Lösung ist, dass Gold – im Gegensatz zu Xenon – freie Elektronen hat. Sie wirken wie eine zähe Flüssigkeit auf die Wasserstoffatome und bremsen sie ab“, so der Physico-Chemiker.

Der technische Aufwand für dieses Experiment war enorm. „Vier genau aufeinander abgestimmte Laser und eine komplexe Ultra-Hochvakuum-Kammer waren dafür erforderlich“, erklärt Bünermann. Um das bei Raumtemperatur gasförmige Xenon in einen festen Zustand zu bringen, mussten die Forscher die Versuchstemperatur zudem auf 45 Kelvin (minus 228 °Celsius) absenken. „Dieses aufwändige Experiment zu realisieren, war tatsächlich erst hier am Göttingen Campus möglich – nicht nur wegen des großartigen wissenschaftlichen Umfelds hier vor Ort, sondern auch dank der hervorragenden technischen Mitarbeiter in den Werkstätten am MPI für biophysikalische Chemie und an der Universität Göttingen. Alle Apparaturen wurden hier in Göttingen entwickelt“, so Wodtke. Auch zwei Doktorandinnen und ein Doktorand verhalfen den Arbeiten zum Erfolg. Yvonne Dorenkamp und Hongyan Jiang trugen wesentliche experimentelle Daten bei, in der Theorie lieferte Svenja Janke eine ganz neue Betrachtung des Prozesses, die entscheidend für die experimentelle Auswertung war.

Die Erkenntnisse der Wissenschaftler sind ein wichtiger Schritt, um im Detail zu verstehen, wie chemische Reaktionen an Oberflächen ablaufen. „Unser Experiment liefert wertvolle Daten, um neue theoretische Ansätze zu überprüfen und weiterzuentwickeln. Sie sind ein wesentlicher Beitrag hin zu einer Theorie, mit der zukünftig katalytische Vorgänge optimiert und neue katalytisch wirksame Verbindungen identifiziert werden könnten“, so Alexander Kandratsenka, Leiter der Gruppe First Principles Simulations of Molecule-Surface Dynamics am MPI für biophysikalische Chemie.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • Katalyse
  • Georg-August-Univer…
  • MPI für biophysikal…
Mehr über MPI für biophysikalische Chemie
Mehr über Uni Göttingen
  • News

    Ein Pigment aus dem alten Ägypten für die moderne Mikroskopie

    Ägyptisch Blau ist eines der ältesten künstlich hergestellten Farbpigmente. Es ziert beispielsweise die Krone der weltberühmten Büste der Nofretete. Aber das Pigment kann noch mehr. Ein internationales Forschungsteam unter Leitung von Dr. Sebastian Kruss vom Institut für Physikalische Chemi ... mehr

    Göttinger Chemiker weisen kleinstmögliche Eiskristalle nach

    Temperaturabhängig gefriert Wasser zu Eis und umgekehrt. Dieser Vorgang, in der Wissenschaft als Phasenübergang bezeichnet, ist im Alltag gut bekannt. Um aber ein stabiles Gitter für Eiskristalle zu erreichen, ist eine Mindestanzahl an Molekülen nötig, ansonsten ist das Konstrukt instabil. ... mehr

    Ein „Lineal" für Moleküle

    Forscher der Universität Göttingen haben ein neues Verfahren entwickelt, das die speziellen Eigenschaften von Graphen nutzt, um mit fluoreszierenden (lichtemittierenden) Molekülen elektromagnetisch zu interagieren. Mit diesem Verfahren können Wissenschaftler erstmals extrem kleine Distanzen ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Gerhard H. Braus

    Gerhard H. Braus, geb. 1957, studierte Biologie und Philosophie an der Albert-Ludwigs-Universität in Freiburg im Breisgau. Promotion (1987) und Habilitation (1992) erfolgten an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) in Zürich. 1993 folgte er einem Ruf auf eine C3-Professur für Bio ... mehr

    Dr. Jennifer Gerke

    Jennifer Gerke, geb. 1982, studierte Chemie an der Georg-August-Universität Göttingen. Ihre Diplomarbeit befasste sich mit der Isolierung und Strukturaufklärung von Sekundärmetaboliten aus marinen Actinomyceten. Anschließend wechselte sie an das Institut für Mikrobiologie und Genetik, wo si ... mehr

Mehr über Max-Planck-Gesellschaft
  • News

    Umweltfreundliche Produktion von Mandelsäure

    Manchmal sind potenziell nützliche Enzyme nicht leicht zu erkennen, weil manche ihrer enzymatischen Fähigkeiten außerhalb des natürlichen und damit bekannten Wirkbereiches liegen. Eine solche Entdeckung machte ein Forscherteam des Max-Planck-Instituts für terrestrische Mikrobiologie unter d ... mehr

    Das Higgs-Teilchen und die Supraleitung

    Ohne den Higgs-Mechanismus hätten Teilchen keine Masse. Daher wird das 2012 entdeckte Higgs-Teilchen auch Gottesteilchen genannt. Es entsteht als schwingende Anregung des Higgs-Feldes, das die Welt durchdringt. Interessanterweise zeigt Supraleitung ähnliche Eigenschaften. Ihre quantenmechan ... mehr

    Fotosynthese im Tropfen

    Pflanzen können es bereits seit Jahrmillionen: Kohlendioxid aus der Luft mithilfe von Sonnenenergie nutzbar machen. Künstliche Zellen als nachhaltige und umweltschonende Bioreaktoren zu bauen, dieser Herausforderung ist das Max-Planck-Forschungsnetzwerk MaxSynBio auf der Spur. Ein Max-Planc ... mehr

  • Videos

    Katalysatoren - Multitalent Katalysator

    Kaum ein Prozess in der chemischen Industrie läuft ohne Katalysatoren. Sie beschleunigen chemische Reaktionen und helfen so, Energie zu sparen und unerwünschte Nebenprodukte zu vermeiden. Viele Reaktionen werden durch Katalysatoren aber auch praktisch erst möglich. mehr

    STED - Lichtblicke in die Nanowelt

    Details die enger als 200 Nanometer beieinander liegen, können mit optischen Mikroskopen nicht mehr unterschieden werden – das entspricht in etwa dem Zweihunderdstel einer Haaresbreite. Grund dafür ist die Wellennatur des Lichts, dessen halbe Wellenlänge in etwa diesen 200 Nanometern entspr ... mehr

    Tuning für Brennstoffzelle

    Die Brennstoffzelle kann klimaschonenden Strom erzeugen, vor allem wenn sie mit Wasserstoff aus regenerativen Quellen wie etwa aus Biomasse betrieben wird. Damit sie aber auch mit Brennstoff aus Holzabfällen oder Stroh optimal arbeitet, benötigt sie eine ausgeklügelte Steuerung. mehr

  • White Paper

    Die Keimzelle der Biobatterie

    Um überschüssigen Strom von Windkraft- und Solaranlagen aufzuheben sind leistungsfähige Batterien und Kondensatoren aus nachhaltigen Materialien gefragt. mehr

  • Forschungsinstitute

    Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.

    Max-Planck-Institute betreiben Grundlagenforschung in den Natur-, Bio-, Geistes- und Sozialwissenschaften im Dienste der Allgemeinheit. Die Max-Planck-Gesellschaft greift insbesondere neue, besonders innovative Forschungsrichtungen auf, die an den Universitäten in Deutschland noch keinen od ... mehr