Katalysatoren bei der Arbeit zugeschaut – auf atomarer Ebene
Elementarste Prozesse im Rampenlicht: Donor- und Akzeptorbindungseigenschaften des Modellkatalysators [Fe(CO)5] in Lösung werden mithilfe von resonanter inelastischer Röntgenstreuung untersucht. © HZB/Edlira Suljoti
Innovative Methodenkombination am HZB führt zu grundlegenden Erkenntnissen in der Katalyseforschung
Die Entwicklung von Materialien mit neuartigen katalytischen Eigenschaften hat gerade in der Energieforschung große Bedeutung. Besonders wichtig ist dabei das Verständnis dynamischer Vorgänge beim Katalyseprozess auf atomarer Ebene, wie beispielsweise die Bildung und das Aufbrechen chemischer Bindungen oder so genannte Ligandenaustauschreaktionen. Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) haben jetzt gemeinsam mit Kooperationspartnern ein als RIXS bezeichnete spektroskopische Methode mit der so genannten ab initio-Theorie kombiniert, um diese Prozesse an einem für die Katalyseforschung bedeutenden metallischen Molekülkomplex – dem Eisencarbonylkomplex – detailliert zu beschreiben. Ihre Ergebnisse veröffentlicht das Team heute in dem renommierten Fachjournal „Angewandte Chemie International Edition“.
Eisencarbonylkomplexe werden bei einer großen Anzahl chemischer Reaktionen und industrieller Prozesse eingesetzt, wie beispielsweise in der lichtinduzierten Wasserreduktion oder der katalytischen Kohlenmonoxid (CO)-Entfernung aus Abgasen. Die Katalyse erfolgt durch den schnellen Aufbau und das anschließende Lösen chemischer Bindungen zwischen dem Metallzentrum und dem Carbonylliganden. „Für uns ist es essentiell, die Stärke von Orbital-Wechselwirkung in Carbonylkomplexen durch eine direkte Untersuchung der Metallzentren und des Liganden bestimmen zu können“, sagt Prof. Dr. Emad Flear Aziz, Gruppenleiter der HZB-Nachwuchsgruppe `Struktur und Dynamik funktionaler Materialien´. Bisher war diese Untersuchung in homogener Katalyse in Lösung nicht möglich. Die Entwicklung der neuen „LiXEdrom“ Versuchsstation für Messungen an einem Mikro-Flüssigkeitsstrahl in der HZB-Nachwuchsgruppe hat die RIXS-Experimente (Resonant Inelastic X-ray Scattering) an funktionalen Materialien unter in situ-Bedingungen ermöglicht.
Am Elektronenspeicherring BESSY II des HZB ist es Aziz Team gemeinsam mit Wissenschaftlern aus verschiedenen Universitäten nun gelungen, unter Bedingungen, bei denen auch in der Realität die Katalyse abläuft (in-situ), sowohl das Metall als auch die Liganden mittels der RIXS-Spektroskopie zu untersuchen. Sie stellten eine sehr starke Orbital-Wechselwirkung zwischen dem Metall und dessen Liganden fest, die zu einer Schwächung und Verlängerung der chemischen Bindung während der RIXS-Anregungen führte. Die experimentellen Ergebnisse wurden durch theoretische ab initio-Verfahren von der Universität Rostock unterstützt. „Mit dieser neuen Methodenkombination haben wir grundlegende Einsichten in die elektronische Struktur von Eisencarbonyl-Komplexen unter katalyserelevanten Bedingungen erhalten“, sagt Aziz: „Unser Ansatz kann zu einem besseren Verständnis von Reaktionsdynamiken und Metall-Liganden-Lösungsmittel-Wechselwirkungen auf sehr kurzen Zeitskalen beitragen. Das führt zu einer verbesserten Kontrolle von katalytischen Eigenschaften – und birgt großes Potential für die Herstellung neuer katalytisch aktiver Materialen.“
Die Arbeiten fanden in Kooperation mit Prof. Dr. M. Bauer (Fachbereich Chemie, TU Kaiserslautern), Prof. Dr. J.-E. Rubensson (Dept. of Physics and Astronomy, Uppsala University) und Prof. Dr. O. Kühn (Institut für Physik, Universität Rostock) statt.
Der Artikel (DOI: 10.1002/anie.201303310) wurde am 23. Juli im Magazin „Angewandte Chemie – International Edition“ veröffentlicht (http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201303310/abstract).
- Neue Katalysatormaterialien auf Basis von Torf für BrennstoffzellenEisen-Stickstoff-Kohlenstoff-Katalysatoren haben das Potenzial, teure Platinkatalysatoren in Brennstoffzellen zu ersetzen. Dies zeigt eine Studie aus Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und der Universitäten in Tartu und Tallinn, Estland. An BESSY II beobachtete das Team, wie sich komplexe Mikrostrukturen in den Proben bilden. Anschließend analysierten sie, welche Strukturparameter für die Förderung der bevorzugten elektrochemischen Reaktionen besonders wichtig waren. Der Rohstoff für solche Katalysatoren ist gut zersetzter Torf.
- Helmholtz-Nachwuchsgruppe zu MagnonenDr. Hebatalla Elnaggar baut am HZB eine neue Helmholtz-Nachwuchsgruppe auf. An BESSY II will die Materialforscherin sogenannte Magnonen in magnetischen Perowskit-Dünnschichten untersuchen. Sie hat sich zum Ziel gesetzt, mit ihrer Forschung Grundlagen für eine zukünftige Terahertz-Magnon-Technologie zu legen: Magnonische Bauelemente im Terahertz-Bereich könnten Daten mit einem Bruchteil der Energie verarbeiten, die moderne Halbleiterbauelemente benötigen, und das mit bis zu tausendfacher Geschwindigkeit.
Dr. Hebatalla Elnaggar will an BESSY II magnetische Perowskit-Dünnschichten untersuchen und damit die Grundlagen für eine künftige Magnonen-Technologie schaffen.
- Zukunft der Korallen – Was Röntgenuntersuchungen zeigen könnenIn diesem Sommer war es in allen Medien. Angetrieben durch die Klimakrise haben nun auch die Ozeane einen kritischen Punkt überschritten, sie versauern immer mehr. Meeresschnecken zeigen bereits erste Schäden, aber die zunehmende Versauerung könnte auch die kalkhaltigen Skelettstrukturen von Korallen beeinträchtigen. Dabei leiden Korallen außerdem unter marinen Hitzewellen und Verschmutzung, die weltweit zur Korallenbleiche und zum Absterben ganzer Riffe führen. Wie genau wirkt sich die Versauerung auf die Skelettbildung aus?
Die Meeresbiologin Prof. Dr. Tali Mass von der Universität Haifa, Israel, ist Expertin für Steinkorallen. Zusammen mit Prof. Dr. Paul Zaslansky, Experte für Röntgenbildgebung an der Charité Berlin, untersuchte sie an BESSY II die Skelettbildung bei Babykorallen, die unter verschiedenen pH-Bedingungen aufgezogen wurden. Antonia Rötger befragte die beiden Experten online zu ihrer aktuellen Studie und der Zukunft der Korallenriffe.