Katalysatoren sind aus unserem Alltag nicht wegzudenken. Sie reinigen Abgase, ermöglichen die Herstellung von Treibstoffen und Chemikalien und spielen eine zentrale Rolle bei der Nutzung von Energie und Rohstoffen. Das Team um Simon Penner vom Institut für Physikalische Chemie beschäftigt sich bereits seit Jahren mit dem grundlegenden Verständnis der Katalyse. Denn obwohl Katalysatoren seit Jahrzehnten eingesetzt werden, sind einige Fragen zum genauen Ablauf katalytischer Reaktionen noch ungeklärt. Drei aktuelle Publikationen der Wissenschaftler lieferten nun überraschende neue Erkenntnisse.
So konnte das Forschenden beispielsweise nachweisen, dass gezielt erzeugte Fehlstellen in Kristallstrukturen die Bildung besonders aktiver Zentren ermöglichen. Besonders überraschend war die Erkenntnis, dass bestimmte Fehlstellen im Kristallgitter die Bildung winziger Eisenoxid-Strukturen stabilisieren können, die als besonders aktive Reaktionszentren wirken. In anderen Systemen erwiesen sich die Kontaktzonen zwischen Metallpartikeln und Oxidoberflächen als die eigentlichen „Hotspots“ der chemischen Umsetzung. Eine weitere Arbeit zeigte zudem, dass sich selbst Edelmetalle unter Reaktionsbedingungen dynamisch verändern können und dadurch unerwartete katalytische Eigenschaften entwickeln. Selbst einzelne auf der Oberfläche adsorbierte Atome konnten die Reaktivität eines Materials deutlich beeinflussen.
„Lange Zeit hat man versucht, Katalysatoren vor allem über ihre chemische Zusammensetzung zu verstehen. Unsere Arbeiten zeigen jedoch, dass oft nicht das perfekte Material die höchste Aktivität besitzt, sondern gezielt eingebrachte Defekte und Grenzflächen. Dort entstehen die eigentlichen aktiven Zentren der chemischen Reaktion“, erklärt Simon Penner von der Arbeitsgruppe „Nanostrukturierte Modellkatalyse“.
Die Ergebnisse liefern wichtige neue Einblicke in die Funktionsweise moderner Katalysatoren. Lange Zeit stand vor allem die Frage im Mittelpunkt, welches Metall verwendet wird. Aktuelle Forschungsergebnisse machen zunehmend deutlich, dass die atomare Umgebung, die Struktur von Grenzflächen und die gezielte Erzeugung von Defekten mindestens ebenso wichtig sind.
Zudem konnten die Wissenschaftler am Institut für Physikalische Chemie zeigen, dass die eigentliche Aktivität häufig an dynamischen Grenzflächen und strukturellen Besonderheiten entsteht. „Ob bei Perowskiten, Palladium-Zirkoniumoxid-Systemen oder stickstoffmodifizierten Kupferkatalysatoren – immer wieder zeigte sich, dass Defekte, Grenzflächen und dynamische Oberflächenstrukturen die entscheidenden Reaktionszentren bilden. Diese Grenzflächen sind gewissermaßen die Motoren der Katalyse“, erklärt Simon Penner.
Die Erkenntnisse eröffnen neue Möglichkeiten für die Entwicklung nachhaltiger Technologien. So könnten künftig Katalysatoren mit geringerem Edelmetallanteil hergestellt werden, ohne an Leistungsfähigkeit einzubüßen. Gleichzeitig bieten die neuen Ergebnisse Potenzial für effizientere Verfahren zur Nutzung von Kohlendioxid, zur Umwandlung von Methan sowie zur Reinigung industrieller Abgase.
„Wenn wir verstehen, welche atomaren Strukturen tatsächlich für die Reaktion verantwortlich sind, können wir Katalysatoren gezielt entwickeln, anstatt uns auf Versuch und Irrtum zu verlassen. Das ist ein wichtiger Schritt hin zu effizienteren und nachhaltigeren Energie- und Stoffumwandlungsprozessen“, betont Simon Penner.
Publikationen:
- Defect-Engineered Perovskites: Atomic Scale Nature of A-Site Vacancy-Stabilized Catalytically Active Phase) - JACS
- To Coke or Not to Coke: When Pd Is Not Noble Anymore under Methane Dry Reforming Conditions – ACS Catalysis
- NO Reduction by CO: Promotional CO Activation by Adsorbed Nitrogen Atoms at Reduced La-Cu-Mn Perovskite Surface Sites - ACS Catalysis