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


 


Das könnte Sie auch interessieren

  • BESSY II: Was Molekül-Orbitale über die Stabilität aussagen
    Science Highlight
    07.02.2024
    BESSY II: Was Molekül-Orbitale über die Stabilität aussagen
    Fumarat, Maleat und Succinat sind organische Moleküle, die in der Koordinationschemie und teilweise auch in der Biochemie der Körperzellen eine Rolle spielen. Ein HZB-Team hat diese Moleküle nun an BESSY II mit Hilfe von RIXS und DFT-Simulationen analysiert. Die Ergebnisse geben nicht nur Aufschluss über die elektronischen Strukturen, sondern auch über die relative Stabilität dieser Moleküle. Dies könnte auch der Industrie dabei helfen, die Stabilität von Koordinationspolymeren zu optimieren.
  • BESSY II: Lokale Variationen in der Struktur von hochentropischen-Legierungen
    Science Highlight
    30.01.2024
    BESSY II: Lokale Variationen in der Struktur von hochentropischen-Legierungen
    Hochentropie-Legierungen halten extremer Hitze und Belastung stand und eignen sich daher für eine Vielzahl spezifischer Anwendungen. Einblicke in Ordnungsprozesse und Diffusionsphänomene in diesen Materialien hat nun eine neue Studie an der Röntgenquelle BESSY II geliefert. An der Studie waren Teams des HZB, der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, der Universität Lettland und der Universität Münster beteiligt.

  • Grüner Wasserstoff: Perowskit-Oxid-Katalysatoren im Röntgenstrahl
    Science Highlight
    21.12.2023
    Grüner Wasserstoff: Perowskit-Oxid-Katalysatoren im Röntgenstrahl
    Für die Herstellung von Grünem Wasserstoff sind Katalysatoren nötig, die den Prozess der Wasserspaltung in Sauerstoff und Wasserstoff steuern. Doch unter Spannung verändert sich die Struktur des Katalysators, was auch die katalytische Aktivität beeinflusst. Ein Forschungsteam aus den Universitäten in Duisburg-Essen und Twente hat u.a. an BESSY II untersucht, wie die Umwandlung von Oberflächen in Perowskit-Oxid-Katalysatoren die Aktivität der Sauerstoffentwicklungsreaktion steuert.