Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Katalyse mit Ecken und Kanten

13.08.2002


Wissenschaftler des Fritz-Haber-Instituts zeigen, wie der Verlauf chemischer Reaktionen durch die Feinstruktur mikroskopischer Katalysatorteilchen bestimmt wird


Viele chemische Reaktionen lassen sich durch Katalysatoren in die gewünschte Richtung lenken. Doch wie diese Steuerung im Detail funktioniert, ist in den meisten Fällen ungeklärt. Jetzt ist Forschern am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin der Nachweis gelungen, wie eine solche katalytische Kontrolle eines chemischen Prozesses auf atomarer Ebene vor sich geht (Angewandte Chemie, 15. Juli 2002). Hierzu setzten die Forscher neuartige Molekularstrahltechniken zur genauen Messung von Reaktionsgeschwindigkeiten ein. Das erstmalige mikroskopische Verständnis der Aktivität kleiner Katalysatorteilchen weist auch den Weg zur Optimierung von Katalysatoren im komplexen industriellen Einsatz.


"Abb.: Modell eines Palladium-Katalysatorteilchens auf einem Trägermaterial. Die Verteilung der Reaktionsplätze auf dem winzigen Metallkristall steuert den Verlauf der chemischen Reaktion."


"Grafik: Fritz-Haber-Institut "


Ob in der Umweltschutztechnik oder Industrie, in vielen chemischen Prozessen kommen Katalysatoren zum Einsatz. Ihr Zweck ist es, chemische Reaktionen gezielt zu lenken oder zu beschleunigen: Hierbei geht es immer darum, selektiv mehr von den gewünschten Produkten zu erzeugen und nicht gewünschte (Neben-)Produkte möglichst zu vermeiden. Vielfach bestehen die Katalysatoren aus winzigen Metallteilchen, die jeweils nur aus wenigen tausend Atomen zusammengesetzt sind und auf einem Trägermaterial fein verteilt werden. Erstaunlicherweise lässt sich über die Struktur und Eigenschaften dieser Katalysatorteilchen die Richtung und Geschwindigkeit vieler chemischer Reaktionen bestimmen. Wie diese Steuerung aber genau geschieht, ist bislang weitestgehend ein Rätsel.

Wissenschaftler um Dr. Jörg Libuda und Prof. Hans-Joachim Freund am Fritz-Haber-Institut in Berlin haben diese Problematik anhand einer einfachen chemischen Reaktion untersucht, das heißt an verschiedenen Umsetzungen des Alkohols Methanol, der als industrieller Grundstoff von großer Bedeutung ist. Hierzu setzten die Forscher so genannte Modellkatalysatoren ein, die einerseits eine wohldefinierte Struktur aufweisen, andererseits aber das Potential haben, die Komplexität realer Katalysatoren in gezielter und kontrollierter Weise zu modellieren. Diese reaktiven Metallteilchen bestanden aus winzigen Palladiumkristallen, wie sie auch in vielen kommerziell genutzten Katalysatorsystemen verwendet werden. Die Oberfläche dieser nur wenige Millionstel Millimeter großen Kristalle besteht aus vielen sehr unterschiedlich strukturierten Stellen, wie zum Beispiel Kanten, Ecken oder glatten Kristallflächen.

Bisher wurde vermutet, dass an den verschiedenen Reaktionsplätzen der Katalysatorteilchen auch jeweils nur ganz bestimmte chemische Reaktionen ablaufen. Um an den unterschiedlichen Stellen in ihrem Modellsystem die Geschwindigkeit der chemischen Vorgänge genau messen zu können, verwendeten die Berliner Forscher mehrere so genannte Molekularstrahlen. In diesen Strahlen bewegen sich Moleküle gemeinsam in eine genau bestimmte Richtung, so dass ihr Auftreffen auf dem Katalysator präzise kontrolliert werden kann.

Bei ihren Experimenten konnten die Wissenschaftler auf dem Katalysator zwei verschiedene Reaktionswege des Methanols beobachten: Entweder wurde innerhalb des Methan-Moleküls eine chemische Bindung zwischen Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen gebrochen oder es wurde die Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindung getrennt. Damit konnten die Forscher direkt nachweisen, dass der zweite Reaktionsweg, also die Aufspaltung der C-O-Bindung, gerade durch die Kanten der Katalysatorteilchen besonders beschleunigt wurde. Dr. Jörg Libuda, Arbeitsgruppenleiter am Fritz-Haber-Institut, stellte dazu fest: "Uns ist es erstmals gelungen, eine solche Katalyse an kleinen Metallteilchen von bisher rein empirisch gestützten Vorstellungen auf fundierte, mikroskopische Füße zu stellen. Mit diesem atomaren Verständnis des katalytischen Mechanismus liefern wir auch grundsätzlichen Input für die Industrie - was braucht man im Detail, um Katalysator-Systeme zu verstehen und letztlich noch genauer steuern zu können."

Originalveröffentlichung der Arbeit: S. Schauermann, J. Hoffmann, V. Johánek, J. Hartmann, J. Libuda, H.-J. Freund: ’Katalytische Aktivität und Vergiftung spezifischer aktiver Zentren von Metall-Nanopartikeln auf Trägern’, Angewandte Chemie, Vol. 114, No. 14, July 15, 2002, p. 2532-35

S. Schauermann, J. Hoffmann, V. Johanék, J. Hartmann, J. Libuda, H.-J. Freund:’Catalytic Activity and Poisoning of Specific Sites on Supported Metal Nanoparticles’ Angewandte Chemie International Edition, Vol. 41, No. 14, July 15, 2002, p. 2643-46

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Dr. Jörg Libuda
Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft
Faradayweg 4-6
14195 Berlin
Tel.: (0 30) 84 13 - 41 39
Fax: (0 30) 84 13 - 43 09
E-Mail: libuda@fhi-berlin.mpg.de

Dr. Bernd Wirsing | Presseinformation

Weitere Berichte zu: Fritz-Haber-Institut Kante Katalysator Katalysatorteilchen

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut
20.10.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Aus der Moosfabrik
20.10.2017 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut

20.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Saugmaschinen machen Waschwässer von Binnenschiffen sauberer

20.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Strukturbiologieforschung in Berlin: DFG bewilligt Mittel für neue Hochleistungsmikroskope

20.10.2017 | Förderungen Preise