Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie winzige Goldpartikel bei der Produktion von Kunststoffbausteinen helfen

29.04.2013
Mysteriöser Katalysator erklärt
RUB-Forscher berichten in „Angewandte Chemie“

Von Methanol zu Formaldehyd – diese Reaktion ist der Ausgangspunkt für die Synthese vieler alltagsrelevanter Kunststoffe. Mit Katalysatoren aus Goldpartikeln könnte sich Formaldehyd herstellen lassen, ohne dass umweltschädliche Abfälle wie bei herkömmlichen Verfahren entstehen.


Gold/Titandioxid-Katalysator in Aktion: Ein Sauerstoffmolekül (O2, kleine dunkelblaue Kugeln) wird an der Grenzfläche zwischen einem Goldpartikel (Au, gold) und Titandioxid (TiO2, rot und hellblau) durch Ladungstransfer aktiviert und damit katalytisch wirksam. Dadurch kann Methanol (CH3OH) effizient und selektiv zu Formaldehyd (CH2O) oxidiert werden; es entsteht auch Wasser (H2O). Den Ladungstransfer wiesen die Forscher experimentell durch das Schwingungsspektrum von adsorbiertem Kohlenmonoxid (CO) nach (Mitte): Eine neue Bande (CO@Au(delta+)O2(delta-) erscheint im Spektrum nur in Gegenwart von O2.
Grafik: M. Farnesi Camellone und D. Marx

Wie der mysteriöse Goldkatalysator funktioniert, haben theoretisch und experimentell arbeitende Forscher der Ruhr-Universität Bochum in einem Kooperationsprojekt herausgefunden. In der „International Edition“ der Zeitschrift „Angewandte Chemie“ berichten sie im Detail, was bei der chemischen Reaktion an der Goldoberfläche passiert.

„Eigentlich sollte Gold als Katalysator ungeeignet sein.“

„Dass Nanopartikel aus Gold tatsächlich selektiv Methanol zu Formaldehyd umsetzen, ist bemerkenswert“, sagt Prof. Dr. Martin Muhler vom Lehrstuhl für Technische Chemie der RUB. „Als beständiges Edelmetall sollte Gold eigentlich nicht als Katalysator geeignet sein.“ Doch Goldpartikel von wenigen Nanometern Größe, verankert an einer Titandioxidoberfläche, erfüllen ihren Dienst. Sie benötigen lediglich Sauerstoff, um die Reaktion in Gang zu bringen; als Abfall bleibt nur Wasser übrig. Wie das geht, untersuchte Muhlers Team gemeinsam mit den Gruppen von Prof. Dr. Dominik Marx vom Lehrstuhl für Theoretische Chemie und Dr. Yuemin Wang vom Lehrstuhl für Physikalische Chemie I.

Sauerstoff bindet an der Grenze zwischen Gold und Titandioxid

Die Chemiker identifizierten das aktive Zentrum des Katalysators, also die Stelle, an der Sauerstoff und Methanol binden und zu Wasser und Formaldehyd umgewandelt werden. Aufwändige Rechnungen von Dr. Matteo Farnesi Camellone zeigten, dass Sauerstoff an der Grenzfläche zwischen Titandioxid und Goldpartikeln bindet. Da Titandioxid ein Halbleiter und somit elektrisch leitend ist, kann es hier zu einem Ladungsaustausch zwischen Sauerstoff, Goldpartikeln und Titandioxid kommen. Sauerstoff-Fehlstellen im Titandioxid begünstigen diesen Ladungstransfer noch weiter. Elektronen gehen übergangsweise vom Katalysator auf das Sauerstoffmolekül über. Das ermöglicht die Bindung von Methanol an die Goldpartikel. In mehreren weiteren Reaktionsschritten bilden sich Formaldehyd und Wasser. Der Feststoff, der aus Gold und Titandioxid besteht, liegt am Ende des Reaktionszyklus im gleichen Zustand vor wie zu Beginn, verbraucht sich also nicht.

Experiment und Theorie: Nur die Kombination macht‘s möglich

Das RUB-Team klärte die einzelnen Reaktionsschritte im Detail auf. Die Forscher nutzten dazu Computersimulationen, sogenannte Dichtefunktionalrechnungen, und verschiedene Spektroskopieverfahren, nämlich Schwingungsspektroskopie (HREELS-Methode) und thermische Desorptionsspektroskopie. In seinen Modellrechnungen quantifizierte Dr. Farnesi den während der Katalyse stattfindenden Ladungsaustausch. Extrem sensitive schwingungsspektroskopische Messungen von Dr. Wangs Gruppe bestätigten die Konsequenzen des Ladungstransfers am realen System. „So konnten wir durch eine intensive Kooperation von Theorie und Experiment das aktive Zentrum und den gesamten Reaktionsmechanismus dieses komplexen Katalysators qualitativ und quantitativ erforschen“, betont Prof. Marx.

Förderung

Die Studie entstammt dem Sonderforschungsbereich 558 „Metal-substrate interactions in heterogeneous catalysis“, der Mitte 2012 auslief. „Die Ergebnisse sind sozusagen die Krönung der SFB-Arbeiten zur Alkoholoxidation“, resümiert Muhler. Das Projekt wurde weiterhin aktiv gefördert durch das 2012 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft genehmigte Exzellenzcluster „Ruhr Explores Solvation“ RESOLV (EXC 1069), in dem Forscher die selektive Oxidation von Alkoholen in flüssiger Phase untersuchen.

Titelaufnahme

M. Farnesi Camellone, J. Zhao, L. Jin, Y. Wang, M. Muhler, D. Marx (2013): Molecular understanding of reactivity and selectivity for methanol oxidation at the Au/TiO2 interface, Angewandte Chemie International Edition, DOI: 10.1002/anie.201301868

Weitere Informationen

Prof. Dr. Martin Muhler, Lehrstuhl für Technische Chemie, Fakultät für Chemie und Biochemie der Ruhr-Universität, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-28754, E-Mail: muhler@techem.rub.de

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@theochem.rub.de

Weitere Presseinformationen zu diesem Themenkomplex
http://aktuell.ruhr-uni-bochum.de/pm2013/pm00053.html.de

Redaktion: Dr. Julia Weiler

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

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Ionen gegen Herzrhythmusstörungen – Nicht-invasive Alternative zu Katheter-Eingriff
20.01.2017 | GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH

nachricht Leibwächter im Darm mit chemischer Waffe
20.01.2017 | Max-Planck-Institut für chemische Ökologie

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: Innovatives Hochleistungsmaterial: Biofasern aus Florfliegenseide

Neuartige Biofasern aus einem Seidenprotein der Florfliege werden am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP gemeinsam mit der Firma AMSilk GmbH entwickelt. Die Forscher arbeiten daran, das Protein in großen Mengen biotechnologisch herzustellen. Als hochgradig biegesteife Faser soll das Material künftig zum Beispiel in Leichtbaukunststoffen für die Verkehrstechnik eingesetzt werden. Im Bereich Medizintechnik sind beispielsweise biokompatible Seidenbeschichtungen von Implantaten denkbar. Ein erstes Materialmuster präsentiert das Fraunhofer IAP auf der Internationalen Grünen Woche in Berlin vom 20.1. bis 29.1.2017 in Halle 4.2 am Stand 212.

Zum Schutz des Nachwuchses vor bodennahen Fressfeinden lagern Florfliegen ihre Eier auf der Unterseite von Blättern ab – auf der Spitze von stabilen seidenen...

Im Focus: Verkehrsstau im Nichts

Konstanzer Physiker verbuchen neue Erfolge bei der Vermessung des Quanten-Vakuums

An der Universität Konstanz ist ein weiterer bedeutender Schritt hin zu einem völlig neuen experimentellen Zugang zur Quantenphysik gelungen. Das Team um Prof....

Im Focus: Traffic jam in empty space

New success for Konstanz physicists in studying the quantum vacuum

An important step towards a completely new experimental access to quantum physics has been made at University of Konstanz. The team of scientists headed by...

Im Focus: Textiler Hochwasserschutz erhöht Sicherheit

Wissenschaftler der TU Chemnitz präsentieren im Februar und März 2017 ein neues temporäres System zum Schutz gegen Hochwasser auf Baumessen in Chemnitz und Dresden

Auch die jüngsten Hochwasserereignisse zeigen, dass vielerorts das natürliche Rückhaltepotential von Uferbereichen schnell erschöpft ist und angrenzende...

Im Focus: Wie Darmbakterien krank machen

HZI-Forscher entschlüsseln Infektionsmechanismen von Yersinien und Immunantworten des Wirts

Yersinien verursachen schwere Darminfektionen. Um ihre Infektionsmechanismen besser zu verstehen, werden Studien mit dem Modellorganismus Yersinia...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Mittelstand 4.0 – Mehrwerte durch Digitalisierung: Hintergründe, Beispiele, Lösungen

20.01.2017 | Veranstaltungen

Nachhaltige Wassernutzung in der Landwirtschaft Osteuropas und Zentralasiens

19.01.2017 | Veranstaltungen

Künftige Rohstoffexperten aus aller Welt in Freiberg zur Winterschule

18.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

21.500 Euro für eine grüne Zukunft – Unserer Umwelt zuliebe

20.01.2017 | Unternehmensmeldung

innovations-report im Interview mit Rolf-Dieter Lafrenz, Gründer und Geschäftsführer der Hamburger Start ups Cargonexx

20.01.2017 | Unternehmensmeldung

Niederlande: Intelligente Lösungen für Bahn und Stahlindustrie werden gefördert

20.01.2017 | Förderungen Preise