Chemische Reaktion am Katalysator in Echtzeit beobachtet
© Gregory Stewart at SLAC National Accelerator Laboratory
Eine internationale Gruppe von Wissenschaftlern hat am Freie-Elektronenlaser LCLS in Stanford erstmals in Echtzeit beobachtet, wie sich Kohlenmonoxid-Gas an der Oberfläche eines Katalysators genau verhält. Dabei wird ein Teil der CO-Moleküle offenbar dicht über der Oberfläche schwach gebunden. Damit können sich die Moleküle zwar nicht entfernen, bleiben aber parallel zur Oberfläche beweglich, so dass sie möglicherweise mit weiteren Reaktionspartnern reagieren können.Die Forscher konnten damit einen Teilschritt einer elementar wichtigen Reaktion aufklären.
Kohlenmonoxid ist ein geruchloses, giftiges Gas, das zum Beispiel bei der Verbrennung von Treibstoff entsteht. Erst ein geigneter Katalysator sorgt dafür, dass Kohlenmonoxid-Moleküle mit Luftsauerstoff zu ungiftigem Kohlendioxid-Gas weiterreagieren. Bislang war nur der grobe Ablauf dieses katalytischen Prozesses klar. „Katalysatoren werden bei so vielen industrierelevanten chemischen Reaktionen eingesetzt, dass es wirklich lohnt, genauer hinzuschauen. Das haben wir hier am Beispiel eines elementaren Prozesses nun gemacht“, sagt Dr. Martin Beye vom HZB, der an der Studie beteiligt war.
Die Forscher haben untersucht, wie sich Kohlenmonoxid-Moleküle von einer Rutheniumoberfläche ablösen (desorbieren). Ruthenium ist ein Metall, das ähnlich wie Platin als Katalysator wirken kann. Mit ultrakurzen und hochintensiven Lichtblitzen am Freie-Elektronenlaser LCLS am SLAC in Stanford machten sie Momentaufnahmen, die Rückschlüsse darüber erlauben, wie sich die CO-Moleküle von der Katalysatoroberfläche lösen. Sie beobachteten, dass etwa ein Drittel der CO-Moleküle nicht direkt von der Oberfläche wegfliegt, sondern dicht über der Oberfläche in einer Art ”Zwischenzustand” gefangen wird. Diese schwache Bindung sorgt dafür, dass die Moleküle sich nicht wieder entfernen können, aber trotzdem parallel zur Oberfläche beweglich bleiben.Solche schwachgebunden, aktivierten Zustände könnten eine wichtige Rolle in katalytischen Prozesse spielen, vermuten die Forscher. Ihre Ergebnisse haben sie nun im Fachmagazin Science veröffentlicht.
Beteiligt an der internationalen Kollaboration waren Forscher aus dem Center for Free Electron Laser Science bei DESY und der Universität Hamburg, SLAC National Accelerator Laboratory, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, European XFEL, Universität Potsdam, Stockholm University, Technical University of Denmark, Stanford University, Fritz-Haber Institut. Hauptautor der Arbeit war Anders Nilsson, Stockholm University und SLAC.
Originalveröffentlichung:
“Real-Time Observation of Surface Bond Breaking with an X-ray Laser”; Martina Dell´Angela et al.; Science, 2013; DOI:10.1126/science.1231711
Presseinfo SLAC: Breakthrough Research Shows Chemical Reaction in Real Time
- Poröse organische Struktur verbessert Lithium-Schwefel-BatterienEin neu entwickeltes Material kann die Kapazität und Stabilität von Lithium-Schwefel-Batterien deutlich verbessern. Es basiert auf Polymeren, die ein Gerüst mit offenen Poren bilden. In der Fachsprache werden sie radikale kationische kovalente organische Gerüste oder COFs genannt. In den Poren finden katalytisch beschleunigte Reaktionen statt, die Polysulfide einfangen, die ansonsten die Lebensdauer der Batterie verkürzen würden. Einige der experimentellen Analysen wurden an der BAMline an BESSY II durchgeführt. Prof. Yan Lu, HZB, und Prof. Arne Thomas, Technische Universität Berlin, haben diese Arbeit gemeinsam vorangetrieben.
- Wie sich Nanokatalysatoren während der Katalyse verändernMit der Kombination aus Spektromikroskopie an BESSY II und mikroskopischen Analysen am NanoLab von DESY gelang es einem Team, neue Einblicke in das chemische Verhalten von Nanokatalysatoren während der Katalyse zu gewinnen. Die Nanopartikel bestanden aus einem Platin-Kern mit einer Rhodium-Schale. Diese Konfiguration ermöglicht es, strukturelle Änderungen beispielsweise in Rhodium-Platin-Katalysatoren für die Emissionskontrolle besser zu verstehen. Die Ergebnisse zeigen, dass Rhodium in der Schale unter typischen katalytischen Bedingungen teilweise ins Innere der Nanopartikel diffundieren kann. Dabei verbleibt jedoch der größte Teil an der Oberfläche und oxidiert. Dieser Prozess ist stark von der Oberflächenorientierung der Nanopartikelfacetten abhängig.
- Schlüsseltechnologie für eine Zukunft ohne fossile EnergieträgerIm Juni und Juli 2025 verbrachte der Katalyseforscher Nico Fischer Zeit am HZB. Es war sein „Sabbatical“, für einige Monate war er von seinen Pflichten als Direktor des Katalyse-Instituts in Cape Town entbunden und konnte sich nur der Forschung widmen. Mit dem HZB arbeitet sein Institut an zwei Projekten, die mit Hilfe von neuartigen Katalysatortechnologien umweltfreundliche Alternativen erschließen sollen. Mit ihm sprach Antonia Rötger.