Katalyse

Infrarot-Spektroskopie analysiert die Oberfläche von Katalysatoren

12.04.12 | Redakteur: Tobias Hüser

Chemie der Fehlstellen: Die Fehlstellen-Konzentration der Rutiloberflächen sowohl bei Einkristallen als auch bei Pulverpartikeln lässt sich mit Infrarot-Spektroskopie anhand von Kohlenmonoxid als Sondenmolekül bestimmen. (Bild: RUB)
Chemie der Fehlstellen: Die Fehlstellen-Konzentration der Rutiloberflächen sowohl bei Einkristallen als auch bei Pulverpartikeln lässt sich mit Infrarot-Spektroskopie anhand von Kohlenmonoxid als Sondenmolekül bestimmen. (Bild: RUB)

Um Vorgänge an den Oberflächen von Oxid-Katalysatoren zu untersuchen, haben Wissenschaftler eine neue Messmethode der Infrarot-Spektroskopie entwickelt. Das Analyseverfahren erkennt Sauerstoff-Fehlstellen in den Oxiden, die dem Material eine hohe katalytische Aktivität verleihen.

Karlsruhe – Was läuft an den Oberflächen von katalytisch aktiven Feststoffen ab? Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Ruhr-Universität Bochum (RUB) haben jetzt ein Kombinationsgerät für die IR-Spektroskopie entwickelt, um Umwandlungen bei der heterogenen Katalyse festzustellen.

Das Analysegerät soll dabei äußerst genau die Schwingungsfrequenz von Kohlenmonoxid in den Oxiden messen. Dieser Wert verändert sich sehr leicht, wenn einzelne Sauerstoffatome aus dem Material entfernt werden. „Als aktive Zentren verleihen Sauerstoff-Fehlstellen dem Material eine hohe katalytische Aktivität“, erklärt Professor Christof Wöll, Direktor des Instituts für Funktionelle Grenzflächen (IFG) des KIT.

Die Wissenschaftler eichten das Kombinationsgerät für die IR-Spektroskopie zunächst an Referenzsystemen. Dann bestimmten sie mithilfe eines Hochleistungs-FTIR-Spektrometers erstmals Fehlstellendichten für pulverförmige reale Katalysatoren. Zur Demonstration ihrer neuen Methode verwendeten die Forscher Rutil, die bedeutendste Modifikation des Titandioxids (TiO2). „Dieses auch als Weißpigment und in der Fotokatalyse eingesetzte Material ist normalerweise chemisch sehr träge und wird erst durch die Sauerstoff-Fehlstellen katalytisch aktiv“, erklärt Wöll. Bisher ließen sich solche Fehlstellen für Pulvermaterialien nur indirekt nachweisen, wie Professor Martin Muhler von der RUB erläutert.

Die Forscher folgten mit ihrer Methode dem von Nobelpreisträger Gerhard Ertl entwickelten Ansatz der „Surface Science“. Das Potenzial ihrer Methode demonstrierten die Wissenschaftler, indem sie die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Kopplungsreaktion von Formaldehyd zu Ethylen untersuchten. Dabei bestätigte sich, dass die Dichte von Sauerstoff-Fehlstellen an der Oberfläche von r-TiO2-Nanopartikeln für die katalytische Aktivität des Oxidpulvers und damit die Ausbeute entscheidend ist.

Die heterogene Katalyse spielt eine zentrale Rolle bei der Herstellung von Grund- und Feinchemikalien, in Abgaskatalysatoren oder zur chemischen Speicherung von Sonnenenergie. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass sie mit dieser Methode die katalytischen Feststoffe weiter erforschen können, um so Produkte zu verbessern und Kosten zu senken.

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