Nanotechnologie

Neue Einblicke in chemische Reaktionen

80 % aller Produkte der chemischen Industrie werden mit Katalyseverfahren hergestellt. Auch in der Energieumwandlung und Abgasreinigung ist Katalyse unverzichtbar. Entsprechend wichtig ist, dass diese Verfahren möglichst schnell und effizient ablaufen; das schont die Umwelt, spart Zeit und Ressourcen.

Haben eine Methode entwickelt, mit der sich katalytische Prozesse noch genauer untersuchen lassen (von links): Yasin Ekinci, Waiz Karim und Jeroen van Bokhoven. (Foto: Paul Scherrer Institut / Mahir Dzambegovic)

Also probiert die Industrie immer neue Substanzen und Anordnungen aus, die neue und bessere katalytische Verfahren ermöglichen können. Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI in Villigen und der ETH Zürich haben nun eine Methode entwickelt, die Genauigkeit solcher Versuche stark zu verbessern, was die Suche nach optimalen Lösungen beschleunigen dürfte. Gleichzeitig haben sie mit ihrer Methode eine über 50 Jahre alte wissenschaftliche Kontroverse beigelegt. Ihr Vorgehen beschreiben sie in der neusten Ausgabe des Fachjournals Nature.

Mit einem neuen Verfahren erleichtern Schweizer Wissenschaftler die Erforschung und Optimierung von Katalyseprozessen in der chemischen Industrie: „Wir haben einen Weg gefunden, katalytische Modellsysteme – also Versuchsanordnungen – auf einen Nanometer genau zu konstruieren und dann die chemische Reaktion einzelner Nanopartikel zu verfolgen“, sagt Waiz Karim, der sowohl am Labor für Mikro- und Nanotechnologie des Paul Scherrer Instituts PSI tätig ist als auch am Institut für Chemie und Bioingenieurwissenschaften der ETH Zürich. „Dadurch wird es möglich, die Effizienz katalytischer Prozesse gezielt zu optimieren.“

Anzeige

Katalyse ist ein fundamentaler Prozess in der Chemie: Dabei wird die Reaktion von Substanzen durch das Beisein eines Katalysators in Gang gebracht oder beschleunigt. Sie spielt eine große Rolle in der Herstellung von Kunststoffen, Säuren und anderen chemischen Produkten, bei der Aufbereitung von Abgasen und bei der Speicherung von Energie (siehe Hintergrund). Darum hat die Industrie großes Interesse daran, ihre katalytischen Verfahren zu optimieren. „Dafür braucht sie ein tieferes Verständnis, was dabei auf molekularer Ebene vor sich geht“, sagt Jeroen van Bokhoven, Leiter des Labors Katalyse und nachhaltige Chemie am PSI und Professor für heterogene Katalyse an der ETH, der die Studie geleitet hat.

Modellversuch mit unerreichter Präzision

Dieses tiefere Verständnis kann der neue Ansatz liefern: Die Forschenden bauten ein Modellsystem, in dem die Katalyse bis ins kleinste Detail untersucht werden kann. Die Versuche wurden vornehmlich am PSI durchgeführt, die theoretischen Grundlagen an der ETH Zürich erarbeitet. Für den Modellversuch verwendete das Team um Karim und van Bokhoven Eisenoxid, das durch Zugabe von Wasserstoff und unter Beihilfe des Katalysators Platin zu Eisen umgewandelt wird. Das Platin spaltet den molekularen Wasserstoff (H2) in elementaren Wasserstoff (H) auf; als solcher kann er leichter mit dem Eisenoxid reagieren.

Der Clou ihres Modells: Mithilfe modernster Elektronenstrahl-Lithografie, die sonst vor allem in der Halbleitertechnik eingesetzt wird, gelang es, winzige, aus nur wenigen Atomen bestehende Partikel auf ein Trägermaterial aufzubringen. Die Eisenoxidpartikel waren nur 60, die Platinpartikel 30 nm klein – das entspricht ungefähr dem Zweitausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares. Diese Körnchen platzierten die Forschenden paarweise in einem rasterartigen Modell in 15 verschiedenen Abständen zueinander – im ersten Rastersegment lag das Platin genau auf dem Eisenoxid, im 15. Segment lagen die Partikel 45 nm voneinander entfernt. In einem 16. Segment lag das Eisenoxid ganz allein. „Wir konnten also 16 verschiedene Situationen auf einmal testen und dabei Größe und Abstand der Partikel auf den Nanometer genau bestimmen“, erklärt Karim. Dann bedampften sie das Modell mit Wasserstoff und schauten, was passiert.

Für diese Beobachtung im molekularen Bereich hatte das Team in einem früheren Projekt ein Verfahren zur mikroskopischen Untersuchung solch winziger Körnchen mittels Röntgenstrahlen genutzt, „Spektromikroskopie von Einzelpartikeln“ genannt. Die dazu nötigen Instrumente bietet die Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des PSI, eine Großforschungsanlage, die Röntgenlicht hoher Qualität erzeugt. So ist also nicht nur die Präzision der Partikelplatzierung neu, auch die entsprechend genaue Beobachtung der chemischen Reaktionen – noch dazu von vielen Partikeln in verschiedenen Situationen gleichzeitig – war zuvor nicht möglich: „In bisherigen Studien konnte die Platzierung der Nanopartikel bis zu 30 nm danebenliegen“, erläutert Karim.

Überschwemmung mit Wasserstoff

Wie sich zeigte, spielen sich manche chemischen Phänomene aber in noch kleineren Dimensionen ab. So auch der sogenannte Wasserstoff-Spillover-Effekt, den die PSI- und ETH-Forscher mit ihrem neuen Modell untersuchten.

Er trägt entscheidend zur Effizienz einer Katalyse mit Wasserstoff bei. Den Effekt hat man zwar bereits 1964 entdeckt, bislang aber nicht bis ins Detail verstehen und visualisieren können. Darum war es umstritten, unter welchen Umständen er tatsächlich eintritt.

Das Team um Karim und van Bokhoven hat ihn erstmals mit der nötigen Präzision untersuchen können: Die Wasserstoffmoleküle spalten sich, wenn sie auf das Platinpartikel treffen, und fließen als elementarer Wasserstoff zu den Seiten herunter auf das Trägermaterial. Dann breiten sie sich rundherum aus wie Wasser, das aus einer Quelle strömt. Dabei treffen die Wasserstoffatome auf die Eisenoxid-Partikel und „reduzieren“ sie zu Eisen, wie Fachleute das nennen. „Wir konnten nachweisen, dass es auf das Trägermaterial ankommt, wie weit der Wasserstoff fließt“, berichtet Karim. Je weiter er fließt, desto mehr kann der Spillover zur Katalyse beitragen. Ist der Träger etwa Aluminiumoxid, das selbst nicht reduziert werden kann, fließt der Wasserstoff nicht weiter als 15 nm. Bei reduzierbarem Titanoxid dagegen strömt er über die ganze Fläche. „Bei manchen Trägermaterialien ist es also wichtig, wie eng die Partikel auf ihnen sitzen.“

Chemische Wissenschaft enorm voranbringen

So haben die Forschenden von PSI und ETH mit ihrem neuen nanotechnologischen Verfahren also die Umstände des Wasserstoff-Spillovers geklärt. „Unser Verfahren basiert auf drei Säulen“, fasst Jeroen van Bokhoven zusammen. „Die Nanofabrikation des Modellsystems, die präzise Messung der chemischen Reaktionen und dazu die theoretische Modellierung: Im Einklang mit unseren Experimenten haben wir den Prozess bis hinunter auf die molekulare Ebene beschrieben.“ Dies dürfte die chemische Wissenschaft insgesamt enorm voranbringen: „Wir öffnen damit eine ganz neue Dimension, um Katalyseprozesse zu untersuchen und zu verstehen. Und mit diesem Verständnis können dann die Herstellungsverfahren viel gezielter verbessert werden.“

Hintergrund:

In der chemischen Industrie ist Katalyse unverzichtbar, rund 80 % aller chemischen Produkte basieren darauf. Dabei wird die Reaktion von Substanzen durch eine weitere Substanz, den Katalysator, in Gang gebracht oder beschleunigt. Katalyse ist notwendig, um Kunststoffe herzustellen, Alkohole, Säuren, Benzin und Düngemittel. Außerdem ist sie am Werk, wenn der Katalysator im Auto einen Großteil der schädlichen Abgase in weniger schädliche umwandelt. Oder wenn alternativer Strom in Form von Wasserstoff gespeichert wird. Meist kommt dabei die „heterogene“ Katalyse zum Einsatz, wenn also der Katalysator in einer anderen Phase vorliegt als die reagierenden Stoffe: In der Regel ist der Katalysator fest und über die Oberfläche eines Trägermaterials verteilt. Die Reaktanten sind gasförmig oder flüssig.

Katalyse ist aber auch in der Natur weit verbreitet. So färben sich nicht nur etwa geschnittene Äpfel oder Birnen braun, weil Enzyme als Biokatalysator wirken und das Fruchtfleisch mit dem Luftsauerstoff reagieren lassen. Auch die Atmung, die Photosynthese und die Gewinnung von Energie aus der Nahrung laufen katalysiert ab. Ohne dieses Prinzip würde unser gesamter Organismus – und der anderer Lebewesen – nicht funktionieren.

Text: Jan Berndorff

Originalveröffentlichung:

Support effects on hydrogen spillover: Waiz Karim, Clelia Spreafico, Armin Kleibert, Jens Gobrecht, Joost VandeVondele, Yasin Ekinci, Jeroen A. van Bokhoven. Nature, 5 January 2017.

Kontakt/Ansprechpartner:

Prof. Dr. Jeroen van Bokhoven
Leiter des Labors Katalyse und nachhaltige Chemie, Forschungsbereich Energie und Umwelt
Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI
E-Mail: jeroen.vanbokhoven@psi.ch

Professor für heterogene Katalyse, ETH Zürich, 8093 Zürich
E-Mail: jeroen.vanbokhoven@chem.ethz.ch

Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige

Forschungsprojekt "Nanofacil"

Enzyme resistenter machen

Ein Forschungsprojekt an der Jacobs University unter Leitung von Dr. Marcelo Fernandez-Lahore, Professor of Biochemical Engineering, soll zu einer Plattform für die erleichterte Weiterverarbeitung einer Vielzahl von biologischen Produkten führen.

mehr...
Anzeige

Effizienz und Leistung

Die neue Pioneer mit vielen Funktionen zum intelligenten Betrieb in Ihrem Labor. Mit antistatischem Stab zur Erdung. Weitere Informationen über die Waagen Pioneer PX

 

mehr...
Anzeige