Katalysator in Aktion
Röntgenlaser ermöglicht Live-Aufnahmen chemischer Reaktionen.
Hamburger Forscher haben zusammen mit einem internationalen Team mit dem weltstärksten Röntgenlaser, der Linac Coherent Light Source LCLS des Beschleunigerzentrums SLAC in Kalifornien einen Katalysator auf Molekülebene in Aktion beobachtet. Die Untersuchung zeigt überraschende Details einer chemischen Reaktion und eröffnet die Möglichkeit, diese ultraschnellen Vorgänge live zu verfolgen. Dabei wiesen die Wissenschaftler erstmals direkt einen Übergangszustand nach, in dem die Moleküle kurzzeitig über dem Katalysator schweben, bevor sie endgültig davonfliegen. Die Untersuchungsmethode bringt neue Einblicke in die Welt der Oberflächenchemie und kann zur Verbesserung einer Vielzahl von Katalysatoren beitragen.
Abb.: Die Experimente am Freie-Elektronen-Laser LCLS zeigten in Echtzeit, wie Kohlenmonoxid-Moleküle an der Oberfläche eines Katalysators reagieren. (Bild: G. Stewart, SLAC NAL)
Die Forscher untersuchten mithilfe des Röntgenlasers die Anlagerung von Kohlenmonoxid an eine Katalysatoroberfläche aus dem Metall Ruthenium. Dabei konnten sie detailliert verfolgen, wie die Kohlenmonoxidmoleküle sich von der Rutheniumoberfläche lösen. „Das Molekül fliegt nicht einfach davon. Es verharrt einen Moment in einem schwach gebundenen Übergangszustand über der Oberfläche, in dem es immer noch mit ihr wechselwirken kann“, berichtet Martina Dell´Angela von der Universität Hamburg. „Das ist beispielsweise wichtig um zu verstehen, wie neue Moleküle einen Platz auf einer bereits fast voll besetzten Katalysatoroberfläche finden können.“
„Dieser kurzlebige Übergangszustand war bereits vor mehr als einem halben Jahrhundert postuliert worden. Zum ersten Mal ließ er sich jetzt tatsächlich beobachten“, erläutert Wilfried Wurth, Sprecher der Advanced Study Group der Universität Hamburg am CFEL. Die Forscher stellten unter anderem fest, dass überraschend viele Moleküle für unerwartet lange Zeit in diesem Zustand verharren.
Bis zur Verfolgung einer vollständigen katalytischen Reaktion auf einem großtechnisch verwendeten Katalysator mit einem Röntgenlaser ist noch experimentelle Entwicklungsarbeit nötig. Dennoch beurteilt Wurth die Beobachtung der Kohlenmonoxid-Desorption an Ruthenium als einen wichtigen ersten Schritt, um die ultraschnelle Dynamik von Oberflächenreaktionen zu erkunden. Die Forscher gehen davon aus, dass künftige Untersuchungen komplexerer Reaktionen zahlreiche Überraschungen zutage fördern.
DESY / AH
