Chemie in einer neuen Dimension
Forschende der ETH Zürich und des Paul Scherrer Instituts haben eine neuartige Methode entwickelt, die die Suche nach optimalen Katalyse-Verfahren beschleunigen dürfte.
In der chemischen Industrie werden 80 Prozent aller Produkte mit Katalyse-Verfahren hergestellt. Auch in der Energieumwandlung und -speicherung und der Abgasreinigung sind sie unverzichtbar. Das Beisein eines Katalysators sorgt dafür, dass chemische Reaktionen in Gang gebracht oder beschleunigt werden. Entsprechend wichtig ist, dass diese Verfahren m?glichst schnell und effizient ablaufen; das schont die Umwelt, spart Zeit und Ressourcen. Deshalb hat die Industrie grosses Interesse daran, katalytische Verfahren zu optimieren. ?Dafür braucht sie ein tieferes Verst?ndnis davon, was auf molekularer Ebene vor sich geht?, sagt Jeroen van Bokhoven, Professor für heterogene Katalyse an der ETH Zürich und Leiter des Labors Katalyse und nachhaltige Chemie am PSI.
Modellversuch mit unerreichter Pr?zision
Dieses tiefere Verst?ndnis kann ein neuer Ansatz, den Forschende in der neusten Ausgabe des Fachjournals Nature pr?sentieren, liefern: Das Team um van Bokhoven und Waiz Karim baute ein Modellsystem, in dem die Katalyse bis ins kleinste Detail untersucht werden kann. Für den Modellversuch verwendete das Team Eisenoxid, das durch Zugabe von Wasserstoff und unter Beihilfe des Katalysators Platin zu Eisen umgewandelt wird. Das Platin spaltet den molekularen Wasserstoff in elementaren Wasserstoff auf. Als solcher kann er leichter mit dem Eisenoxid reagieren, das sich auch in einer gewissen Entfernung von dem Platin befinden kann.
Der Clou des 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 Tr?germaterial aufzubringen. Diese K?rnchen platzierten die Forschenden paarweise in einem rasterartigen Modell in verschiedenen Abst?nden zueinander. ?Wir konnten so 16 verschiedene Situationen auf einmal testen und dabei Gr?sse, Form und Abstand der Partikel auf den Nanometer genau bestimmen?, erkl?rt Waiz Karim, der sowohl an der ETH Zürich als auch am PSI t?tig ist.
Neu ist nicht nur die Pr?zision der Partikelplatzierung sondern auch die genaue Beobachtung der chemischen Reaktionen. Diese erm?glichte ein spezielles Verfahren zur mikroskopischen Untersuchung solch winziger K?rnchen mittels R?ntgenstrahlen.
Chemische Wissenschaft enorm voranbringen
Wie sich zeigte, spielen sich manche Ph?nomene aber in noch kleineren Dimensionen ab. So auch der sogenannte Wasserstoff-Spillover-Effekt, der zur Effizienz einer Katalyse mit Wasserstoff beitr?gt. Den Effekt hat man zwar bereits 1964 entdeckt, bislang aber nicht bis ins Detail verstehen und visualisieren k?nnen. Die PSI- und ETH-Forschenden konnten den Effekt mit ihrem Modell erstmals mit der n?tigen Pr?zision untersuchten und kl?ren, unter welchen Umst?nden er auftritt.
?Unser Verfahren basiert auf drei S?ulen?, fasst Jeroen van Bokhoven zusammen. ?Die Nanofabrikation des Modellsystems, die pr?zise 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 ?ffnen damit eine ganz neue Dimension, um Katalyse-Verfahren zu untersuchen und zu verstehen. Und mit diesem Verst?ndnis k?nnen dann die Herstellungsprozesse viel gezielter verbessert werden.?
Dieser Text basiert auf einer Medienmitteilung des Paul Scherrer Instituts.