Tiefer Blick in die Katalyse

Achtzig Prozent aller Produkte der chemischen Industrie werden mit Katalyse-Verfahren hergestellt. Auch in der Energie­umwandlung und Abgas­reinigung ist Katalyse unverzichtbar. Die Industrie probiert immer neue Substanzen und Anordnungen aus, die neue und bessere katalytische Verfahren ermöglichen können. Forscher 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.

„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 PSI tätig ist als auch am Institut für Chemie und Bio­ingenieurs­wissenschaften der ETH Zürich. „Dadurch wird es möglich, die Effizienz katalytischer Prozesse gezielt zu optimieren.“

Katalyse 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.

Dieses tiefere Verständnis kann der neue Ansatz liefern: Die Forscher bauten ein Modell­system, in dem man die Katalyse bis ins kleinste Detail untersuchen kann. Die Versuche wurden vornehmlich am PSI durchgeführt, die theoretischen Grundlagen an der ETH Zürich erarbeitet. Für den Versuch 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 in elementaren Wasser­stoff auf; als solcher kann er leichter mit dem Eisenoxid reagieren.

Der Clou ihres Modells: Mithilfe von Elektronen­strahl-Lithografie, wie sie 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. Diese Körnchen platzierten die Forscher 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 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, 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.

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.

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. „Wir konnten nachweisen, dass es auf das Träger­material ankommt, wie weit der Wasserstoff fließt“, 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.“

So haben die Forscher 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. 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.“

PSI / DE