Kernspin offenbart Katalyse-Reaktion

Parawasserstoff liefert ein so starkes Magnetresonanz-Signal, dass sich ein katalytischer Reaktionsverlauf mit einer zeitlichen Auflösung im Millisekundenbereich auf wenige Millimeter genau verfolgen lässt.

Berkeley (USA) – In der Medizin spielen heute Kernspintomographen eine wichtige Rolle, z. B. bei der Untersuchung von inneren Organen und von Hirnaktivitäten. Nun lassen sich auch Katalysereaktionen mit diesem bildgebenden Verfahren über die Magnet-Resonanz detailliert verfolgen. Für die Verbesserung der Ausbeute bei diesen Prozessen lassen sich die aktiven Bereiche an einem Katalysator genauer bestimmen als bisher. Über dieses Ergebnis berichten amerikanische Wissenschaftler in der Zeitschrift „Science“.

„Unsere Technik erlaubt es, den Gasfluss und die Dichte von aktiven Katalysatorabschnitten in einem Mikroreaktor sichtbar zu machen“, schreiben Louis-S. Bouchard und seine Kollegen von der University of California in Berkeley. Gerade für Reaktionen mit gasförmigen Substanzen fehlte es bisher an einer geeigneten Sensor-Methode für solche Beobachtungen.

Für ihre Versuche analysierten die Forscher die katalytische Umwandlung von Propylen zu Propan. Dazu werden Wasserstoffatome an das Propylenmoleküle angedockt. Für diese Hydrierung wählten die Forscher zwei verschiedene Versionen eines wenige Millimeter großen Mikroreaktors. Der eine enthält den Wilkinson Katalysator – ein Rutheniumkomplex – in Pulverform mit verschieden großen Verklumpungen, beim zweiten wurde der gleiche Katalysator auf einen dünnen Siliziumoxidträger aufgebracht.

Bei etwa 145 Grad Celsius strömte nun Propylengas durch den Mikroreaktor. Den Reaktionspartner, Wasserstoffgas, trennten die Forscher in seine beiden natürlich vorkommenden Formen, Para- und Orthowasserstoff auf. Beim Parawasserstoffmolekül sind die Kernspins der beiden Atome entgegengesetzt, beim Orthowasserstoff gleich ausgerichtet. Nur der Parawasserstoff wurde für die Magnetresonanz-Versuche verwendet.

Etwa eine Minute lang beobachteten die Forscher den Katalyseprozess innerhalb des Mikroreaktors mit einem Magnetresonanzspektrometer (NMR). Mit Magnetfelder von 800 Milltesla pro Meter wurden die Kernspins der Wasserstoffatome ausgerichtet und zum präzedieren gebracht. Nach Abschalten dieser Störung nimmt die Präzession ab und der durch das Magnetfeld induzierte Strom wird gemessen. Der Parawasserstoff lieferte dabei ein so starkes NMR-Signal, dass sich der Reaktionsverlauf mit einer zeitlichen Auflösung im Millisekundenbereich auf wenige Millimeter genau verfolgen ließ. Deutlich lassen sich auf den Magnetresonanzaufnahmen die katalytisch besonders aktiven Bereiche innerhalb des Mikroreaktors beobachten.

Mit solchen Messungen können nun der Aufbau des Mikroreaktors, die Verteilung des Katalysators und die Gasflüsse optimiert werden. Danach lässt sich ohne Abstriche bei der Ausbeute wieder auf günstigeres Wasserstoffgas mit beiden verschiedenen Spinkonfigurationen wechseln. Bouchard und seine Kollegen halten es für möglich, diese Messmethode auf andere Katalysereaktionen mit Gasen und sogar mit Flüssigkeiten auszuweiten.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  L.-S. Bouchard et al., NMR Imaging of Catalytic Hydrogenation in Microreactors with the Use of p-H2, Science 319, 442 (2008).
  http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/319/5862/442
• University of California, Berkeley:
  http://www.berkeley.edu
• Lawrence Berkeley National Laboratory:
  http://www.lbl.gov
• Materials Sciences Division:
  http://www.lbl.gov/msd/

Weitere Literatur:

• W. A. de Heer, Rev. Mod. Phys. 65, 611 (1993).
• T. P. Martin, Phys. Rep. 273, 199 (1996).
• Greer, Acc. Chem. Res. 39, 797 (2006).