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Katalyse

Nanotechnologie erleichtert Optimierung von Katalyseprozessen

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Überschwemmung mit Wasserstoff

Wie sich zeigte, spielen sich manche chemischen Phänomene aber in noch kleineren Dimensionen ab. So auch der sogenannte Wasserstoff-Spillover-Effekt, den die PSI- und ETH-Forscher mit ihrem neuen Modell untersuchten. Er trägt entscheidend zur Effizienz einer Katalyse mit Wasserstoff bei. Den Effekt hat man zwar bereits 1964 entdeckt, bislang aber nicht bis ins Detail verstehen und visualisieren können. Darum war es umstritten, unter welchen Umständen er tatsächlich eintritt.

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Das Team um Karim und van Bokhoven hat ihn erstmals mit der nötigen Präzision untersuchen können: Die Wasserstoffmoleküle spalten sich, wenn sie auf das Platinpartikel treffen, und fließen als elementarer Wasserstoff zu den Seiten herunter auf das Trägermaterial. Dann breiten sie sich rundherum aus wie Wasser, das aus einer Quelle strömt. Dabei treffen die Wasserstoffatome auf die Eisenoxid-Partikel und „reduzieren“ sie zu Eisen, wie Fachleute das nennen. „Wir konnten nachweisen, dass es auf das Trägermaterial ankommt, wie weit der Wasserstoff fließ“, berichtet Karim. Je weiter er fließt, desto mehr kann der Spillover zur Katalyse beitragen. Ist der Träger etwa Aluminiumoxid, das selbst nicht reduziert werden kann, fließt der Wasserstoff nicht weiter als 15 Nanometer. Bei reduzierbarem Titanoxid dagegen strömt er über die ganze Fläche. „Bei manchen Trägermaterialien ist es also wichtig, wie eng die Partikel auf ihnen sitzen.“

Chemische Wissenschaft enorm voranbringen

So haben die Forschenden von PSI und ETH mit ihrem neuen nanotechnologischen Verfahren also die Umstände des Wasserstoff-Spillovers geklärt. „Unser Verfahren basiert auf drei Säulen“, fasst Jeroen van Bokhoven zusammen. „Die Nanofabrikation des Modellsystems, die präzise Messung der chemischen Reaktionen und dazu die theoretische Modellierung: Im Einklang mit unseren Experimenten haben wir den Prozess bis hinunter auf die molekulare Ebene beschrieben.“ Dies dürfte die chemische Wissenschaft insgesamt enorm voranbringen: „Wir öffnen damit eine ganz neue Dimension, um Katalyseprozesse zu untersuchen und zu verstehen. Und mit diesem Verständnis können dann die Herstellungsverfahren viel gezielter verbessert werden."

Originalpublikation: Waiz Karim, Clelia Spreafico, Armin Kleibert, Jens Gobrecht, Joost VandeVondele, Yasin Ekinci, Jeroen A. van Bokhoven: Catalyst support effects on hydrogen spillover, Nature, 5 January 2017; DOI: 10.1038/nature20782

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