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Ganzheitliches Modell für Katalysatoren Katalyse – Wie die Partikelgröße die Reaktion beeinflusst

Redakteur: Christian Lüttmann

Bei Katalysator-Partikeln kommt es nicht nur auf das Material an, sondern auch auf die Größe. Diese beeinflusst teilweise, welche Reaktionen an den Körnchen ablaufen. Für ein besseres chemisches Verständnis auf allen Ebenen – vom einzelnen Atom bis zur makroskopischen Gesamtreaktion – haben Forscher der TU Wien nun ein neues Modell entwickelt.

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Palladium Nanokristalle auf Aluminiumoxid: Manche Facetten ermöglichen die Isomerisierung von 1-Buten zu 2-Buten, andere hingegen die Hydrierung zu Butan.
Palladium Nanokristalle auf Aluminiumoxid: Manche Facetten ermöglichen die Isomerisierung von 1-Buten zu 2-Buten, andere hingegen die Hydrierung zu Butan.
(Bild: TU Wien)

Wien/Österreich – Chemische Reaktionen kann man auf unterschiedlichen Ebenen betrachten: Auf der Ebene einzelner Atome und Moleküle zeigt sich, welche neuen Verbindungen möglich sind. Auf der Ebene von winzigen Teilchen auf Nano- und Mikrometer-Skala kann man verstehen, wie Katalysator-Materialien in die chemische Reaktion eingreifen. Und wenn man die chemische Reaktion großtechnisch nutzen will, braucht man den Blick auf die makroskopische Skala.

Normalerweise verwendet man für jeden Bereich unterschiedliche Zugänge getrennt voneinander. Doch für komplizierte chemische Reaktionen auf Katalysator-Oberflächen genügt das nicht. An der TU Wien gelang nun ein wichtiger Schritt: Erstmals konnten alle Ebenen von der Mikro- bis zur Makroebene miteinander verbunden werden, um eine technisch wichtige chemische Reaktion bei realen Bedingungen vollständig zu beschreiben. Dadurch waren die Wissenschaftler auch in der Lage zu erklären, warum die Größe von Katalysator-Partikeln eine entscheidende Rolle spielt.

Wenn die Größe entscheidend ist

Von vielen Molekülen gibt es unterschiedliche Varianten: Dieselben Atome lassen sich auf unterschiedliche Weise anordnen, man spricht dann von „Isomeren“. Es ist wichtig, zwischen diesen Isomeren zu unterscheiden – so ist etwa ein bestimmtes Isomer des Kohlenwasserstoffs Buten günstig für die Treibstoffherstellung, eine andere Buten-Variante eignet sich hingegen besonders für die Produktion von Polymeren. Genau die richtigen Isomere zu erzeugen oder ein Isomer in ein anderes umzuwandeln, ist eine anspruchsvolle Aufgabe, die mit ganz bestimmten Katalysatoren gelingen kann. „Ein besonders wichtiger Katalysator für solche Prozesse ist Palladium“, sagt Prof. Günther Rupprechter vom Institut für Materialchemie der TU Wien. „Normalerweise trägt man es in Form winziger Nanokristalle auf einen Träger auf. Bestimmte Moleküle werden dann von diesen Körnchen festgehalten, und das ermöglicht die chemische Reaktion“.

Bekannt ist, dass oft eine bestimmt Partikelgröße für die katalytische Wirkung ausschlaggebend ist, doch eine detaillierte Erklärung dafür, wie das funktioniert, gab es bisher nicht. „Die technisch genutzten Teilchen bestehen einfach aus zu vielen Atomen, um sie quantenchemisch am Computer berechnen zu können“, erklärt Dr. Alexander Genest, der Erstautor der aktuellen Studie. „Man muss daher neue Wege finden, um die unterschiedlichen Betrachtungsweisen miteinander zu kombinieren.“

Berechnungen für realistische Systeme

Das Forschungsteam der TU Wien und die Kooperationspartner aus Singapur, Alicante und München wählten für die Untersuchungen die Isomerisierung von Alkenen aus. „Das ist besonders herausfordernd, weil es verschiedene Reaktionspfade gibt, die gleichzeitig eine Rolle spielen“, sagt Studienleiter Rupprechter. „Wichtig war uns auch, die Reaktion bei realistischen Bedingungen zu studieren: In bisherigen Grundlagen-Untersuchungen analysierte man Reaktionen oft im (Ultra-)Hochvakuum, bei tiefen Temperaturen. Doch in der Praxis hat man es mit ganz anderen Parametern zu tun. Wir wollten daher wissen, wie diese Isomerisierung bei Atmosphärendruck und 100 °C abläuft.“

Dir Forscher begannen auf Ebene der Atome und Moleküle: „Mithilfe der Dichtefunktionaltheorie können wir die elementaren Reaktionsschritte der Moleküle berechnen, die sich an unterschiedlichen Facetten der Palladium-Kristalle anlagern“, sagt Erstautor Genest. Diese Berechnungen fließen dann in so genannte mikrokinetische Modelle ein, mit denen man die Dynamik chemischer Reaktionen auf einer größeren Zeitskala im Computer ablaufen lassen kann. Und aus diesen Ergebnissen wiederum lässt sich auf die Gesamtmenge der gewünschten chemischen Produkte schließen, die nach einer bestimmten Zeit bei bestimmten Parametern vorhanden sein wird.

„Die Modellrechnungen stimmen nicht nur qualitativ, sondern auch quantitativ sehr gut mit unseren experimentellen Messungen überein“, betont Rupprechter. „Das ist ein wichtiger Durchbruch – bisher war das so nicht möglich“. Nun kann man im Detail erklären, warum unterschiedliche Größen der Palladium-Partikel sich unterschiedlich auf die chemischen Abläufe auswirken: Große Körnchen haben glatte Oberflächen, während kleinere Körnchen eher rundlich und gestuft sind. Die Anordnung der Palladium-Atome in unterschiedlichen Geometrien beeinflusst die Reaktionsenergie und somit das katalytische Verhalten.

Gezielte Tests statt Versuch und Irrtum?

„Wenn man in der Industrie einen chemischen Prozess optimiert, ist man oft auf Versuch und Irrtum angewiesen“, sagt Rupprechter. „Bei welchen Parametern lässt man die Reaktion ablaufen? Welche Katalysatoren verwendet man – und in welcher Form? Das sind Fragen, die man bisher auf theoretischer Ebene kaum beantworten konnte.“ Forscher probieren also üblicherweise verschiedene Varianten aus und wählen dann die erfolgreichste. Wenn sie aber einen Prozess vom Labormaßstab auf industriellen Maßstab hochskalieren möchten, ändert sich vieles, und es ist wieder unklar, welche Bedingungen die besten sind.

„Wir haben nun gezeigt, dass man solche Abläufe umfassend verstehen kann, wenn man verschiedene Betrachtungsebenen miteinander verknüpft“, betont Genest den Nutzen der aktuellen Studie. „Diese Herangehensweise ist natürlich auch auf viele andere katalytische Reaktionen anwendbar.“ In der chemischen Industrie soll es somit möglich werden, durch Modellierung am Computer chemische Herstellungsverfahren zu optimieren und gleichzeitig teure und zeitraubende Versuchsreihen auf ein Minimum zu reduzieren.

Originalpublikation: A. Genest et al.: The origin of the particle-size-dependent selectivity in 1-butene isomerization and hydrogenation on Pd/Al2O3 catalysts, Nature Communications volume 12, 6098 (2021).

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