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).
- Elektrokatalyse mit doppeltem Nutzen – ein ÜberblickHybride Elektrokatalysatoren können beispielsweise gleichzeitig grünen Wasserstoff und wertvolle organische Verbindungen produzieren. Dies verspricht wirtschaftlich rentable Anwendungen. Die komplexen katalytischen Reaktionen, die bei der Herstellung organischer Verbindungen ablaufen, sind jedoch noch nicht vollständig verstanden. Moderne Röntgenmethoden an Synchrotronquellen wie BESSY II ermöglichen es, Katalysatormaterialien und die an ihren Oberflächen ablaufenden Reaktionen in Echtzeit, in situ und unter realen Betriebsbedingungen zu analysieren. Dies liefert Erkenntnisse, die für eine gezielte Optimierung genutzt werden können. Ein Team hat nun in Nature Reviews Chemistry einen Überblick über den aktuellen Wissensstand veröffentlicht.
- BESSY II: Phosphorketten – ein 1D-Material mit 1D elektronischen EigenschaftenErstmals ist es einem Team an BESSY II gelungen, experimentell eindimensionale elektronische Eigenschaften in Phosphor nachzuweisen. Die Proben bestanden aus kurzen Ketten aus Phosphoratomen, die sich auf einem Silbersubstrat selbst organisiert in bestimmten Winkeln bilden. Durch eine raffinierte Auswertung gelang es, die Beiträge von unterschiedlich ausgerichteten Ketten voneinander zu trennen und zu zeigen, dass die elektronischen Eigenschaften tatsächlich einen eindimensionalen Charakter besitzen. Berechnungen zeigten darüber hinaus, dass ein spannender Phasenübergang zu erwarten ist. Während das Material aus einzelnen Ketten halbleitend ist, wäre eine sehr dichte Kettenstruktur metallisch.
- Was vibrierende Moleküle über die Zellbiologie verratenMit Infrarot-Vibrationsspektroskopie an BESSY II lassen sich hochaufgelöste Karten von Molekülen in lebenden Zellen und Zellorganellen in ihrer natürlichen wässrigen Umgebung erstellen, zeigt eine neue Studie von einem Team aus HZB und Humboldt-Universität zu Berlin. Die Nano-IR-Spektroskopie mit SNOM an der IRIS-Beamline eignet sich, um winzige biologische Proben zu untersuchen und Infrarotbilder der Molekülschwingungen mit Nanometer-Auflösung zu erzeugen. Es ist sogar möglich, 3D-Informationen, also Infrarot-Tomogramme, aufzuzeichnen. Um das Verfahren zu testen, hat das Team Fibroblasten auf einer hochtransparenten SiC-Membran gezüchtet und in vivo untersucht. Die Methode ermöglicht neue Einblicke in die Zellbiologie.