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Katalyse

Nanotechnologie erleichtert Optimierung von Katalyseprozessen

| Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Strahllinie SIM an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des Paul Scherrer Instituts. (Ausschnitt)
Strahllinie SIM an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des Paul Scherrer Instituts. (Ausschnitt) (Bild: Paul Scherrer Institut/Markus Fischer)

Mit einem neuen Verfahren erleichtern Schweizer Wissenschaftler die Erforschung und Optimierung von Katalyseprozessen in der chemischen Industrie. Gleichzeitig haben sie mit ihrer Methode eine über 50 Jahre alte wissenschaftliche Kontroverse beigelegt.

Villigen/ Schweiz – 80 Prozent aller Produkte der chemischen Industrie werden mit Katalyse-Verfahren hergestellt. Auch in der Energieumwandlung und Abgasreinigung ist Katalyse unverzichtbar. Entsprechend wichtig ist, dass diese Verfahren möglichst schnell und effizient ablaufen; das schont die Umwelt, spart Zeit und Ressourcen. Also probiert die Industrie immer neue Substanzen und Anordnungen aus, die neue und bessere katalytische Verfahren ermöglichen können. Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI in Villigen und der ETH Zürich haben nun eine Methode entwickelt, die Genauigkeit solcher Versuche stark zu verbessern, was die Suche nach optimalen Lösungen beschleunigen dürfte. Gleichzeitig haben sie mit ihrer Methode eine über 50 Jahre alte wissenschaftliche Kontroverse beigelegt.

Effizienz katalytischer Prozesse gezielt optimieren

Mit ihrem neu entwickelten neuen Verfahren erleichtern die Schweizer Wissenschaftler die Erforschung und Optimierung von Katalyseprozessen in der chemischen Industrie: „Wir haben einen Weg gefunden, katalytische Modellsysteme - also Versuchsanordnungen - auf einen Nanometer genau zu konstruieren und dann die chemische Reaktion einzelner Nanopartikel zu verfolgen“, sagt Waiz Karim, der sowohl am Labor für Mikro- und Nanotechnologie des Paul Scherrer Instituts PSI tätig ist als auch am Institut für Chemie und Bioingenieurwissenschaften der ETH Zürich. „Dadurch wird es möglich, die Effizienz katalytischer Prozesse gezielt zu optimieren.“

Katalyse ist ein fundamentaler Prozess in der Chemie: Dabei wird die Reaktion von Substanzen durch das Beisein eines Katalysators in Gang gebracht oder beschleunigt. Sie spielt eine große Rolle in der Herstellung von Kunststoffen, Säuren und anderen chemischen Produkten, bei der Aufbereitung von Abgasen und bei der Speicherung von Energie. Darum hat die Industrie großes Interesse daran, ihre katalytischen Verfahren zu optimieren. „Dafür braucht sie ein tieferes Verständnis, was dabei auf molekularer Ebene vor sich geht“, sagt Jeroen van Bokhoven, Leiter des Labors Katalyse und nachhaltige Chemie am PSI und Professor für heterogene Katalyse an der ETH, der die Studie geleitet hat.

Modellversuch mit unerreichter Präzision

Dieses tiefere Verständnis kann der neue Ansatz liefern: Die Forschenden bauten ein Modellsystem, in dem die Katalyse bis ins kleinste Detail untersucht werden kann. Die Versuche wurden vornehmlich am PSI durchgeführt, die theoretischen Grundlagen an der ETH Zürich erarbeitet. Für den Modellversuch verwendete das Team um Karim und van Bokhoven Eisenoxid, das durch Zugabe von Wasserstoff und unter Beihilfe des Katalysators Platin zu Eisen umgewandelt wird. Das Platin spaltet den molekularen Wasserstoff (H2) in elementaren Wasserstoff (H) auf; als solcher kann er leichter mit dem Eisenoxid reagieren.

Der Clou ihres Modells: Mithilfe modernster Elektronenstrahl-Lithografie, die sonst vor allem in der Halbleitertechnik eingesetzt wird, gelang es, winzige, aus nur wenigen Atomen bestehende Partikel auf ein Trägermaterial aufzubringen. Die Eisenoxidpartikel waren nur 60, die Platinpartikel 30 Nanometer klein - das entspricht ungefähr dem Zweitausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares. Diese Körnchen platzierten die Forschenden paarweise in einem rasterartigen Modell in 15 verschiedenen Abständen zueinander - im ersten Rastersegment lag das Platin genau auf dem Eisenoxid, im 15. Segment lagen die Partikel 45 Nanometer voneinander entfernt. In einem 16. Segment lag das Eisenoxid ganz allein. „Wir konnten also 16 verschiedene Situationen auf einmal testen und dabei Größe und Abstand der Partikel auf den Nanometer genau bestimmen“, erklärt Karim. Dann bedampften sie das Modell mit Wasserstoff und schauten, was passiert.

Für diese Beobachtung im molekularen Bereich hatte das Team in einem früheren Projekt ein Verfahren zur mikroskopischen Untersuchung solch winziger Körnchen mittels Röntgenstrahlen genutzt, „Spektromikroskopie von Einzelpartikeln“ genannt. Die dazu nötigen Instrumente bietet die Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des PSI, eine Großforschungsanlage, die Röntgenlicht hoher Qualität erzeugt. So ist also nicht nur die Präzision der Partikelplatzierung neu, auch die entsprechend genaue Beobachtung der chemischen Reaktionen - noch dazu von vielen Partikeln in verschiedenen Situationen gleichzeitig - war zuvor nicht möglich: „In bisherigen Studien konnte die Platzierung der Nanopartikel bis zu 30 Nanometer danebenliegen“, erläutert Karim.

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