Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wenn Wasser spricht: Lösungsmittel macht Katalysatoren effizienter

21.02.2013
RUB-Forscher analysieren Grenzflächen zwischen Wasser und Katalysator mit Computersimulationen

Warum bestimmte Katalysatormaterialien effizienter arbeiten, wenn sie von Wasser anstatt von einer Gasphase umgeben sind, ist unklar. Erste Antworten haben RUB-Chemiker nun mit Computersimulationen gewonnen.


Schnappschuss des Ladungstransfers: Wasser-induzierter Ladungstransfer an der Grenzfläche zwischen Wasser und Katalysator. Die roten und blauen Flächen in dem linken bzw. rechten Bild quantifizieren die Erniedrigung bzw. Erhöhung der Elektronendichte aufgrund des Ladungstransfers zu einem bestimmten Zeitpunkt. Das blau-rote Gitter im unteren Bildteil repräsentiert das Oxid, die grauen und gelben Kugeln an der Oxidoberfläche das Metall. Die kleinen blau-roten Moleküle im oberen Bildteil sind Wassermoleküle.
Grafik: M. Farnesi Camellone, D. Marx

Sie zeigten, dass Wasser spezifische Ladungszustände an der Katalysatoroberfläche stabilisiert. „Katalysator und Wasser sprechen quasi miteinander“, verbildlicht Professor Dominik Marx die zugrundeliegenden komplexen Ladungstransferprozesse. Seine Arbeitsgruppe vom Lehrstuhl für Theoretische Chemie berechnete auch, wie man die Effizienz von Katalysatorsystemen ohne Wasser steigern kann, indem man Druck und Temperatur variiert. Die Ergebnisse beschreiben die Forscher in den Zeitschriften „Physical Review Letters“ und „Journal of Physical Chemistry Letters“.

Heterogene Katalyse: Wasser oder Gas als zweite Phase

Bei der heterogenen Katalyse kombinieren Forscher Stoffe zweier unterschiedlicher Phasen – üblicherweise fest und gasförmig. An den dadurch entstehenden Grenzflächen laufen chemische Reaktionen schneller ab als ohne Katalysator. Die Industrie nutzt die heterogene Katalyse für viele Prozesse, zum Beispiel um Alkohole in bestimmte Aldehyde umzusetzen. Als feste Phase eignet sich etwa Titandioxid mit an der Oberfläche gebundenen Goldpartikeln. Wasser – anstelle eines Gases – als zweite Phase hat mehrere Vorteile: Umweltschädliche Substanzen, die in traditionellen Verfahren zur Oxidation der Alkohole erforderlich sind, können einfach durch Luftsauerstoff ersetzt werden. Außerdem ist die ganze Reaktion in Wasser sehr effizient, auch schon bei moderaten Temperaturen.

Ladungstransfer zwischen Wasser und Katalysator

Was bei der Katalyse auf molekularer Ebene passiert, haben die theoretischen Chemiker mit sogenannten ab initio Molekulardynamik-Simulationen erforscht. Das Ergebnis: Zwischen Wasser und Katalysator findet ein Ladungstransfer statt. Elektronen, genauer gesagt Anteile von Elektronendichten, werden zwischen fester und flüssiger Phase verschoben. Auf diese Weise stabilisiere die flüssige Phase Ladungszustände an der Goldoberfläche, spekulieren die Forscher. Die Stellen, wo das passiert, könnten die aktiven Zentren des Katalysators sein, an denen die chemischen Reaktionen effizient ablaufen. Anders als Wasser kann eine Gasphase nicht auf diese Art und Weise mit dem Katalysator „sprechen“, da mit der Gasphase kein Ladungstransfer möglich ist.

Die Effizienz per Thermodynamik steigern

In einer weiteren Studie untersuchte das Team von Dominik Marx einen verwandten Metall/Oxid-Katalysator aus Kupfer und Zinkoxid, der der großindustriellen Methanolsynthese dient. Wie die Computersimulationen ergaben, ist hier vor allem das Wechselspiel zwischen fester Phase und Gasphase bedeutend für die Effizienz. Je nach Druck- und Temperaturverhältnissen bindet Wasserstoff an die Katalysatoroberfläche und stabilisiert damit indirekt katalytisch aktive Zentren, die in diesem Fall aufgrund eines Elektronentransfers zwischen Oxid und Metall entstehen. „Ohne den Wasserstoff würden die Zentren, platt gesagt, gar nicht existieren“, erklärt Marx. Die thermodynamischen Bedingungen in der Gasphase versetzen die Oberfläche auf diese Weise in einem bestimmten Zustand, der für die Arbeit des Katalysators besonders günstig ist.

Mehrwert durch Kombination

Die beiden Arbeiten zeigen also, dass sich die Katalysatoreffizienz sowohl über ein Lösungsmittel, als auch über die Thermodynamik – nämlich durch Druck und Temperatur der Gasphase – steuern lässt. Allerdings sind dafür völlig verschiedene Mechanismen verantwortlich, die die Forscher trotzdem mit den gleichen Simulationsmethoden aufklären konnten. Das macht die Ergebnisse direkt vergleichbar. In Zukunft wollen die Theoretiker mit diesen Methoden untersuchen, ob sie das Kupfer/Zinkoxid-System noch weiter optimieren können, indem sie die Gasphase durch ein geeignetes Lösungsmittel ersetzen.

Förderung

Die aktive Rolle des Lösungsmittels in katalytischen Reaktionen erforschen die Chemiker an der RUB im Exzellenzcluster „Ruhr Explores Solvation“ RESOLV (EXC 1069), das die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Juni 2012 genehmigte.

Titelaufnahmen

M. Farnesi Camellone, D.Marx (2013). On the impact of solvation on a Au/TiO2 nanocatalyst in contact with water, The Journal of Physical Chemistry Letters, doi: 10.1021/jz301891v

L. Martínez-Suárez, J. Frenzel, D. Marx, B. Meyer (2013): Tuning the reactivity of a Cu/ZnO nanocatalyst via gas phase pressure, Physical Review Letters, doi: 10.1103/PhysRevLett.110.086108

Weitere Informationen

Prof. Dr. Dominik Marx, Lehrstuhl für Theoretische Chemie, Fakultät für Chemie und Biochemie der Ruhr-Universität, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-28083, E-Mail: dominik.marx@rub.de

Angeklickt

Theoretische Chemie an der RUB
http://www.theochem.rub.de/
Solvation Science@RUB (RESOLV)
http://www.rub.de/solvation/
Redaktion: Dr. Julia Weiler

Dr. Josef König | idw
Weitere Informationen:
http://www.ruhr-uni-bochum.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Forscher sehen Biomolekülen bei der Arbeit zu
05.12.2016 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

nachricht Wie sich Zellen gegen Salmonellen verteidigen
05.12.2016 | Goethe-Universität Frankfurt am Main

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: Wie sich Zellen gegen Salmonellen verteidigen

Bioinformatiker der Goethe-Universität haben das erste mathematische Modell für einen zentralen Verteidigungsmechanismus der Zelle gegen das Bakterium Salmonella entwickelt. Sie können ihren experimentell arbeitenden Kollegen damit wertvolle Anregungen zur Aufklärung der beteiligten Signalwege geben.

Jedes Jahr sind Salmonellen weltweit für Millionen von Infektionen und tausende Todesfälle verantwortlich. Die Körperzellen können sich aber gegen die...

Im Focus: Shape matters when light meets atom

Mapping the interaction of a single atom with a single photon may inform design of quantum devices

Have you ever wondered how you see the world? Vision is about photons of light, which are packets of energy, interacting with the atoms or molecules in what...

Im Focus: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Flüssiger Wasserstoff im freien Fall

05.12.2016 | Maschinenbau

Forscher sehen Biomolekülen bei der Arbeit zu

05.12.2016 | Biowissenschaften Chemie

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungsnachrichten