Materialwissenschaft: Mit Synchrotronstrahlung zu besseren Katalysatoren

Ein besseres Verständnis von chemischen Reaktionen an der Oberfläche von Katalysatoren ermöglicht den optimierten Einsatz der Reaktionsbeschleuniger.

Katalysatoren in der Chemie

Katalyse bezeichnet den Vorgang, durch den chemische Prozesse schneller oder überhaupt erst ablaufen. Sie beeinflusst unsere Gesellschaft in starker, wenn auch eher unauffälliger Art und Weise. Der Autokatalysator ist das bei Weitem bekannteste Beispiel und spielt eine wichtige Rolle zur Reduktion der Schadstoffemission. In der chemischen Industrie werden über 90 Prozent der Materialien durch katalytische Prozesse hergestellt. Katalysatoren sparen Ressourcen, Energie, sie schützen unsere Umwelt und haben eine immense wirtschaftliche Bedeutung.

Die elementaren Reaktionen auf der Oberfläche eines Katalysators werden von Chemikern und Physikern seit Jahrzehnten untersucht. Im Jahr 2007 erhielt Gerhard Ertl, ehemaliger Direktor am Fritz-Haber-Institut in Berlin, den Nobelpreis für Chemie für seine Pionierarbeiten auf diesem Gebiet. Trotzdem ist für die meisten realen katalytischen Prozesse noch weitgehend ungeklärt, in welcher genauen Abfolge die elementaren Reaktionsschritte erfolgen. Um der Wirkungsweise von Katalysatoren auf die Spur zu kommen, sind hochkomplexe, technisch aufwendige Experimente nötig, die meistens intensive Strahlen von Elektronen, Neutronen oder Photonen erfordern. Synchrotronstrahlungsquellen liefern Photonen in einem breiten Spektralbereich, die Wissenschaftler für diese Experimente nutzen.

Heterogene Katalyse

Von heterogener Katalyse spricht man, wenn der Katalysator und die zu reagierenden Stoffe in verschiedenen Aggregatzuständen vorliegen. Dies ist etwa beim Autokatalysator der Fall, der – wie in den meisten heterogenen Fällen – ein Feststoff ist. Die heterogene Katalyse findet hier an der Oberfläche statt. Um diese Prozesse genauer zu studieren, ist es wichtig, Experimente zu realisieren, die genau diese Oberfläche und ein paar der darunterliegenden Atomlagen untersuchen.

Die sogenannte In-situ-Photoelektronenspektroskopie im Röntgenbereich eignet sich hervorragend für solche Untersuchungen. Diese Methode erlaubt es, die Zusammensetzung und die chemische Natur der Katalysatoroberflächen unter chemischen Reaktionsbedingungen zu entschlüsseln. Dabei werden Elektronen aus den Atomen der Oberfläche mithilfe von Röntgenlicht gelöst und analysiert. Das Verfahren ist beispielsweise an der ISISS-Strahlführung (innovative station for in situ spectroscopy) der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie möglich.

Ein Team um Detre Teschner vom Fritz-Haber-Institut Berlin hat bei BESSY II das Hinzufügen von Wasserstoff an Alkinen unter der Beteiligung eines Palladiumkatalysators erforscht. Alkine sind Kohlenwasserstoffe, die zwei oder vier Wasserstoffatome pro Molekül aufnehmen können. In den meisten Anwendungen ist dabei nur das Hinzufügen von zwei Wasserstoffatomen erwünscht, die Addition von vier Wasserstoffatomen gilt es hingegen zu vermeiden.

Eingelagerter Kohlenstoff in einer Palladiumschicht

Mit Hilfe von Synchrotronlicht konnten die Wissenschaftler beobachten, dass das Palladium wie erwünscht nur zwei Wasserstoffatome an den Kohlenwasserstoff abgibt, wenn die Oberfläche und die obersten zwei bis fünf Atomlagen durch den Einbau von Kohlenstoff modifiziert sind. Dann bildet sich eine Art Haut auf dem Palladium. Unter den Bedingungen, bei denen vier Wasserstoffatome den Alkinen hinzugefügt werden, ist die Ausbildung dieser dünnen Schicht hingegen nicht zu beobachten. Daraus lässt sich der Schluss ziehen, dass die Haut wie eine Barriere wirkt, so dass Wasserstoff, der sich unter der Oberfläche befindet, nicht an der Reaktion teilnehmen kann.

Mit Hilfe der oben geschilderten Resultate, die in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurden, lassen sich nun neue Familien von Katalysatoren auf Palladiumbasis konzipieren, indem man die Löslichkeit von Wasserstoff in den entsprechenden Materialien minimiert. Das kann man z. B. dadurch erreichen, dass man die Katalysatoren so präpariert, dass sie gleich aus einem stabilen Gemisch von Palladium und einem anderen Element wie etwa Gallium entstehen.

Dieses Beispiel zeigt, dass der Einsatz von Synchrotronstrahlung in Kombination mit anderen Techniken erlaubt, das grundsätzliche Verständnis von chemischen Reaktionen deutlich zu erweitern und Wege aufzuzeigen, wie Materialien für Katalysatoren und den Einsatz in der chemischen Industrie verbessert werden können.

„The Roles of Subsurface Carbon and Hydrogen in Palladium- Catalyzed Alkyne Hydrogenation“, D. Teschner, J. Borsodi, A. Wootsch et al.; Science, DOI: 10.1126/science.1155200, 2008.