Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neuartige Computersimulation kann Materialeigenschaften für Katalysatoren vorhersagen

05.02.2003


Berliner Max-Planck-Forschern gelingt es mit neuartiger Computersimulation, Eigenschaften von Materialien vorher zu sagen, die in der Katalyse wichtig sind


Katalysatoren spielen eine Schlüsselrolle in vielen technischen Prozessen und im Umweltschutz. Um sie gezielter entwickeln zu können, muss man ihre chemisch aktiven Oberflächen und ihre atomare Struktur genau kennen. Experimentelle und mittlerweile auch theoretische Methoden erlauben zwar sehr detaillierte Einblicke. Doch diese bleiben oft nur auf niedrige Drücke und Temperaturen beschränkt, die sich von den tatsächlichen technologischen Bedingungen erheblich unterscheiden und daher nur bedingt Aufschluss über Gestalt und Reaktionsverhalten eines Katalysators in der Praxis geben. Wissenschaftlern des Berliner Fritz-Haber-Instituts gelang es nun mit Hilfe von Computerberechnungen erstmals, die Struktur und katalytische Aktivität eines Modellkatalysators über den gesamten Druck- und Temperaturbereich, der bei Experimenten und technischen Anwendungen eine Rolle spielt, zu simulieren. Ihre Forschungsergebnisse ermöglichen neue Einblicke, unter welchen Bedingungen Materialoberflächen besonders aktiv werden. Die neue Methode ist zugleich ein wichtiger Schritt, um die heute in Theorie und Laborexperiment noch bestehenden Grenzen für die Katalysatorentwicklung zu überwinden.

Katalysatoren sind bei vielen technischen Prozessen im Einsatz, wie in der Abgasreinigung oder der chemischen Industrie, wo über 90 Prozent aller Produkte im Laufe ihrer Herstellung mit mindestens einem Katalysator in Kontakt kommen. Katalysatoren lenken und beschleunigen chemische Umsetzungen und unterdrücken ungewollte Nebenreaktionen. Doch trotz ihrer hohen ökonomischen und ökologischen Bedeutung ist die Forschung noch weit von einem mikroskopischen Verständnis ihrer Wirkungsweise entfernt - den jeweils geeigneten Katalysator zu finden, gelingt bislang oft nur mit Hilfe aufwändiger Versuchsreihen gepaart mit chemischer Intuition.


Die gezielte Entwicklung neuer Materialien für die heterogene Katalyse erfordert zunächst genaue Kenntnis über den atomaren Aufbau der Oberfläche während der chemischen Reaktion. Leider funktionieren die Techniken, die solche Informationen mit atomarer Auflösung liefern könnten, nicht unter technologisch relevanten Bedingungen, d.h. bei Drücken von mindestens 1 bar (dem Atmosphärendruck) und Temperaturen weit oberhalb der Raumtemperatur. Folglich beruht unser derzeitiges Wissen über Katalysatoroberflächen weitgehend auf Experimenten im Ultrahochvakuum (UHV, bei Drücken kleiner als 1/10 Milliardstel bar). Obgleich diese Experimente von großem Wert für das konzeptionelle Verständnis sind, lassen sich ihre Ergebnisse oft nicht auf die technisch erforderlichen Bedingungen anwenden, ein Umstand, der seit geraumer Zeit mit dem Begriff "Druck- und Materiallücke" (pressure and materials gap) umschrieben wird. An der Überbrückung dieser Lücke, d.h. einer genauen Kenntnis, wie die Katalysatoroberfläche vom Ultrahochvakuum bis hin zum realen technischen Betrieb beschaffen ist, arbeiten Wissenschaftler heute weltweit.

Eine entsprechende "Lücke" besteht auch in der theoretischen Beschreibung der Katalysatoroberflächen: Leistungsfähige quanten-mechanische Rechenverfahren, oft auf der Dichtefunktionaltheorie (DFT, Nobelpreis für Chemie 1998) aufbauend, erlauben zwar die Modellierung immer komplexerer Festkörperoberflächen. Doch auch wenn mit solchen so genannten first principles Rechnungen die atomare Struktur von Oberflächen sehr genau beschrieben werden kann, erstrecken sie sich nicht auf die den Katalysator umgebende Gasphase, d.h. sie laufen quasi bei einem Druck von 0 bar ab und sind daher mit UHV-Experimenten vergleichbar.

Um diese "theoretische Drucklücke" zu umgehen, haben Wissenschaftler des Berliner Fritz-Haber-Institutes jetzt eine spezielle Verknüpfung der Dichtefunktionaltheorie mit klassischen Methoden der Thermodynamik entwickelt. Auf diese Weise gelang es ihnen erstmals, die Oberflächenstruktur eines Modellkatalysators im gesamten Druckbereich vom UHV bis zu technologisch relevanten Bedingungen theoretisch vorherzusagen. Das auf diese Weise erstellte Phasendiagramm (Abb. 1) zeigt, an welchen atomaren Plätzen die beiden Reaktanden Sauerstoff (O) und Kohlenmonoxid (CO) bei welchen Druck- und Temperaturbedingungen chemische Bindungen mit der Oberfläche eingehen (adsorbieren).

Ein solches Phasendiagramm gibt den Wissenschaftlern jetzt genauere Kenntnisse darüber, in welche Richtung die Druck- und Temperaturparameter im Experiment geändert werden können, ohne dass für die Katalyse wichtige Messgrößen dabei beeinträchtigt werden. Dies wiederum ermöglicht es, die bisherigen UHV-Experimente gezielter dafür einzusetzen, um die Wirkungsweise des Katalysators unter bisher nicht zugänglichen technischen Bedingungen zu untersuchen.

Darüber hinaus haben die Forscher aus dem berechneten Phasendiagramm auch jene Druck- und Temperaturbedingungen identifiziert, unter denen eine besonders hohe katalytische Aktivität erwartet werden kann. Die theoretisch ermittelten Bedingungen für das CO-O-Modellsystem stehen im Einklang mit den zuvor im Experiment ermittelten Parametern. Mit ähnlich gearteten Vorhersagen könnte es deshalb möglich werden, den Katalysator in anderen, noch nicht so gut untersuchten Systeme zu optimieren. Bis zu einem wirklich umfassenden mikroskopischen Verständnis der Festkörperkatalyse ist dieser Ansatz allerdings noch wesentlich zu erweitern, meint Prof. Matthias Scheffler, Direktor am Fritz-Haber-Institut. Gerade unter den nun identifizierten katalytisch geeigneten Druck- und Temperaturbedingungen seien einige der bisherigen Annahmen zusammengebrochen. Deshalb müsse eine weiterführende Analyse auf wesentlich aufwändigeren Verfahren der statistischen Mechanik aufbauen, die momentan aber noch nicht handhabbar sind und die Forscher noch einige Jahre beschäftigen könnten.

Dr. Karsten Reuter
Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft
Faradayweg 4-6
14195 Berlin
Tel.: 030 - 84134700
Fax: 030 - 84134701
E-Mail: reuter@fhi-berlin.mpg.de

Dr. Andreas Trepte | Max-Planck-Gesellschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Informationstechnologie:

nachricht Forschungsprojekt: Zukünftige Fahrzeugtechnologien im Open Region Lab – ZuFOR
30.03.2017 | Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften

nachricht Schnelle Time-to-Market durch standardisierte Datacenter-Container
28.03.2017 | Rittal GmbH & Co. KG

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Informationstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Kleinstmagnete für zukünftige Datenspeicher

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Chemikern der ETH Zürich hat eine neue Methode entwickelt, um eine Oberfläche mit einzelnen magnetisierbaren Atomen zu bestücken. Interessant ist dies insbesondere für die Entwicklung neuartiger winziger Datenträger.

Die Idee ist faszinierend: Auf kleinstem Platz könnten riesige Datenmengen gespeichert werden, wenn man für eine Informationseinheit (in der binären...

Im Focus: Quantenkommunikation: Wie man das Rauschen überlistet

Wie kann man Quanteninformation zuverlässig übertragen, wenn man in der Verbindungsleitung mit störendem Rauschen zu kämpfen hat? Uni Innsbruck und TU Wien präsentieren neue Lösungen.

Wir kommunizieren heute mit Hilfe von Funksignalen, wir schicken elektrische Impulse durch lange Leitungen – doch das könnte sich bald ändern. Derzeit wird...

Im Focus: Entwicklung miniaturisierter Lichtmikroskope - „ChipScope“ will ins Innere lebender Zellen blicken

Das Institut für Halbleitertechnik und das Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, beide Mitglieder des Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), der Technischen Universität Braunschweig, sind Partner des kürzlich gestarteten EU-Forschungsprojektes ChipScope. Ziel ist es, ein neues, extrem kleines Lichtmikroskop zu entwickeln. Damit soll das Innere lebender Zellen in Echtzeit beobachtet werden können. Sieben Institute in fünf europäischen Ländern beteiligen sich über die nächsten vier Jahre an diesem technologisch anspruchsvollen Projekt.

Die zukünftigen Einsatzmöglichkeiten des neu zu entwickelnden und nur wenige Millimeter großen Mikroskops sind äußerst vielfältig. Die Projektpartner haben...

Im Focus: A Challenging European Research Project to Develop New Tiny Microscopes

The Institute of Semiconductor Technology and the Institute of Physical and Theoretical Chemistry, both members of the Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), at Technische Universität Braunschweig are partners in a new European research project entitled ChipScope, which aims to develop a completely new and extremely small optical microscope capable of observing the interior of living cells in real time. A consortium of 7 partners from 5 countries will tackle this issue with very ambitious objectives during a four-year research program.

To demonstrate the usefulness of this new scientific tool, at the end of the project the developed chip-sized microscope will be used to observe in real-time...

Im Focus: Das anwachsende Ende der Ordnung

Physiker aus Konstanz weisen sogenannte Mermin-Wagner-Fluktuationen experimentell nach

Ein Kristall besteht aus perfekt angeordneten Teilchen, aus einer lückenlos symmetrischen Atomstruktur – dies besagt die klassische Definition aus der Physik....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Industriearbeitskreis »Prozesskontrolle in der Lasermaterialbearbeitung ICPC« lädt nach Aachen ein

28.03.2017 | Veranstaltungen

Neue Methoden für zuverlässige Mikroelektronik: Internationale Experten treffen sich in Halle

28.03.2017 | Veranstaltungen

Wie Menschen wachsen

27.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Herzerkrankungen: Wenn weniger mehr ist

30.03.2017 | Medizin Gesundheit

Flipper auf atomarem Niveau

30.03.2017 | Physik Astronomie

Europaweite Studie zu „Smart Engineering“

30.03.2017 | Studien Analysen