Forschung mit Synchrotronstrahlung in Deutschland 2009 - SNI-Portal

Mit Synchrotronstrahlung zu besseren KatalysatorenEin besseres Verständnis von chemischen Reaktionen ander Oberfläche von Katalysatoren ermöglicht den optimiertenEinsatz der Reaktionsbeschleuniger.Katalyse bezeichnet den Vorgang, durch den chemischeProzesse schneller oder überhaupt erst ablaufen. Sie beeinflusstunsere Gesellschaft in starker, wenn auch eher unauffälliger Artund Weise. Der Autokatalysator ist das bei Weitem bekanntesteBeispiel und spielt eine wichtige Rolle zur Reduktion der Schadstoffemission.In der chemischen Industrie werden über 90 %der Materialien durch katalytische Prozesse hergestellt. Katalysatorensparen Ressourcen, Energie, sie schützen unsere Umweltund haben eine immense wirtschaftliche Bedeutung.Die elementaren Reaktionen auf der Oberfläche eines Katalysatorswerden von Chemikern und Physikern seit Jahrzehntenuntersucht. Im Jahr 2007 erhielt Gerhard Ertl, ehemaligerDirektor am Fritz-Haber-Institut in Berlin, den Nobelpreis fürChemie für seine Pionierarbeiten auf diesem Gebiet. Trotzdemist für die meisten realen katalytischen Prozesse noch weitgehendungeklärt, in welcher genauen Abfolge die elementarenReaktionsschritte erfolgen.Um der Wirkungsweise von Katalysatoren auf die Spur zukommen, sind hochkomplexe, technisch aufwendige Experimentenötig, die meistens intensive Strahlen von Elektronen,Neutronen oder Photonen erfordern. Synchrotronstrahlungsquellenliefern Photonen in einem breiten Spektralbereich, dieWissenschaftler für diese Experimente nutzen.Von heterogener Katalyse spricht man, wenn der Katalysatorund die zu reagierenden Stoffe in verschiedenen Aggregatzuständenvorliegen. 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. Umdiese Prozesse genauer zu studieren, ist es wichtig, Experimentezu realisieren, die genau diese Oberfläche und ein paar der darunterliegendenAtomlagen untersuchen.Die In-situ-Photoelektronenspektroskopie im Röntgenbereicheignet sich hervorragend für solche Untersuchungen.Diese Methode erlaubt es, die Zusammensetzung und die chemischeNatur der Katalysatoroberflächen unter chemischenReaktionsbedingungen zu entschlüsseln. Sie ist an der ISISS-Strahlführung (innovative station for in situ spectroscopy) derSynchrotronstrahlungsquelle BESSY II am Helmholtz-ZentrumBerlin für Materialien und Energie möglich.Ein Team um Detre Teschner vom Fritz-Haber-Institut Berlinhat dort das Hinzufügen von Wasserstoff an Alkinen unterder Beteiligung eines Palladiumkatalysators erforscht. Alkinesind Kohlenwasserstoffe, die zwei oder vier Wasserstoffatomepro Molekül aufnehmen können. In den meisten Anwendungenist dabei nur das Hinzufügen von zwei Wasserstoffatomen erwünscht,die Addition von vier Wasserstoffatomen gilt es hingegenzu vermeiden.Mit Hilfe von Synchrotronlicht konnten die Wissenschaftlerbeobachten, dass das Palladium wie erwünscht nur zweiWasserstoffatome an den Kohlenwasserstoff abgibt, wenn dieOberfläche und die obersten zwei bis fünf Atomlagen durch denEinbau von Kohlenstoff modifiziert sind. Dann bildet sich eineArt Haut auf dem Palladium. Unter den Bedingungen, bei denenvier Wasserstoffatome den Alkinen hinzugefügt werden, ist dieAusbildung dieser dünnen Schicht hingegen nicht zu beobachten.Daraus lässt sich der Schluss ziehen, dass die Haut wie eineBarriere wirkt, so dass Wasserstoff, der sich unter der Oberflächebefindet, nicht an der Reaktion teilnehmen kann.Mit Hilfe der oben geschilderten Resultate, die in Scienceveröffentlicht wurden, lassen sich nun neue Familien von Katalysatorenauf Palladiumbasis konzipieren, indem man die Löslichkeitvon Wasserstoff in den entsprechenden Materialienminimiert. Das kann man z. B. dadurch erreichen, dass man dieKatalysatoren so präpariert, dass sie gleich aus einem stabilenGemisch von Palladium und einem anderen Element wie etwaGallium entstehen.Dieses Beispiel zeigt, dass der Einsatz von Synchrotronstrahlungin Kombination mit anderen Techniken erlaubt, dasgrundsätzliche Verständnis von chemischen Reaktionen deutlichzu erweitern und Wege aufzuzeigen, wie Materialien fürKatalysatoren und den Einsatz in der chemischen Industrie verbessertwerden können.Abbildung:Mit Hilfe von Synchrotronstrahlungzeigte sich,wie sich in eine PalladiumschichteingelagerterKohlenstoff auf einenKatalyseprozess auswirkt.Durch den Kohlenstoffsteht weniger Wasserstoffzur Verfügung und eskommt eher zum gewünschtenHinzufügenvon zwei (links) anstellevon vier (rechts) Wasserstoffatomen.WissenschaftlicheVeröffentlichung:D. Teschner, J. Borsodi,A. Wootsch, Zs. Révay,M. Hävecker, A. Knop-Gericke, S. D. Jackson,R. Schlögl: The Roles ofSubsurface Carbon andHydrogen in Palladium-Catalyzed AlkyneHydrogenation.Science 320 (2008) 86Synchrotronstrahlung 2009 13