Forschung mit Synchrotronstrahlung in Deutschland 2009 - SNI-Portal
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Mit <strong>Synchrotronstrahlung</strong> zu besseren KatalysatorenE<strong>in</strong> besseres Verständnis von chemischen Reaktionen ander Oberfläche von Katalysatoren ermöglicht den optimiertenE<strong>in</strong>satz der Reaktionsbeschleuniger.Katalyse bezeichnet den Vorgang, durch den chemischeProzesse schneller oder überhaupt erst ablaufen. Sie bee<strong>in</strong>flusstunsere Gesellschaft <strong>in</strong> starker, wenn auch eher unauffälliger Artund Weise. Der Autokatalysator ist das bei Weitem bekanntesteBeispiel und spielt e<strong>in</strong>e 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 e<strong>in</strong>e immense wirtschaftliche Bedeutung.Die elementaren Reaktionen auf der Oberfläche e<strong>in</strong>es Katalysatorswerden von Chemikern und Physikern seit Jahrzehntenuntersucht. Im Jahr 2007 erhielt Gerhard Ertl, ehemaligerDirektor am Fritz-Haber-Institut <strong>in</strong> Berl<strong>in</strong>, den Nobelpreis fürChemie für se<strong>in</strong>e Pionierarbeiten auf diesem Gebiet. Trotzdemist für die meisten realen katalytischen Prozesse noch weitgehendungeklärt, <strong>in</strong> welcher genauen Abfolge die elementarenReaktionsschritte erfolgen.Um der Wirkungsweise von Katalysatoren auf die Spur zukommen, s<strong>in</strong>d hochkomplexe, technisch aufwendige Experimentenötig, die meistens <strong>in</strong>tensive Strahlen von Elektronen,Neutronen oder Photonen erfordern. <strong>Synchrotronstrahlung</strong>squellenliefern Photonen <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em breiten Spektralbereich, dieWissenschaftler für diese Experimente nutzen.Von heterogener Katalyse spricht man, wenn der Katalysatorund die zu reagierenden Stoffe <strong>in</strong> verschiedenen Aggregatzuständenvorliegen. Dies ist etwa beim Autokatalysator der Fall,der – wie <strong>in</strong> den meisten heterogenen Fällen – e<strong>in</strong> Feststoff ist.Die heterogene Katalyse f<strong>in</strong>det hier an der Oberfläche statt. Umdiese Prozesse genauer zu studieren, ist es wichtig, Experimentezu realisieren, die genau diese Oberfläche und e<strong>in</strong> 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 chemischenReaktionsbed<strong>in</strong>gungen zu entschlüsseln. Sie ist an der ISISS-Strahlführung (<strong>in</strong>novative station for <strong>in</strong> situ spectroscopy) der<strong>Synchrotronstrahlung</strong>squelle BESSY II am Helmholtz-ZentrumBerl<strong>in</strong> für Materialien und Energie möglich.E<strong>in</strong> Team um Detre Teschner vom Fritz-Haber-Institut Berl<strong>in</strong>hat dort das H<strong>in</strong>zufügen von Wasserstoff an Alk<strong>in</strong>en unterder Beteiligung e<strong>in</strong>es Palladiumkatalysators erforscht. Alk<strong>in</strong>es<strong>in</strong>d Kohlenwasserstoffe, die zwei oder vier Wasserstoffatomepro Molekül aufnehmen können. In den meisten Anwendungenist dabei nur das H<strong>in</strong>zufügen von zwei Wasserstoffatomen erwünscht,die Addition von vier Wasserstoffatomen gilt es h<strong>in</strong>gegenzu 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 denE<strong>in</strong>bau von Kohlenstoff modifiziert s<strong>in</strong>d. Dann bildet sich e<strong>in</strong>eArt Haut auf dem Palladium. Unter den Bed<strong>in</strong>gungen, bei denenvier Wasserstoffatome den Alk<strong>in</strong>en h<strong>in</strong>zugefügt werden, ist dieAusbildung dieser dünnen Schicht h<strong>in</strong>gegen nicht zu beobachten.Daraus lässt sich der Schluss ziehen, dass die Haut wie e<strong>in</strong>eBarriere wirkt, so dass Wasserstoff, der sich unter der Oberflächebef<strong>in</strong>det, nicht an der Reaktion teilnehmen kann.Mit Hilfe der oben geschilderten Resultate, die <strong>in</strong> Scienceveröffentlicht wurden, lassen sich nun neue Familien von Katalysatorenauf Palladiumbasis konzipieren, <strong>in</strong>dem man die Löslichkeitvon Wasserstoff <strong>in</strong> den entsprechenden Materialienm<strong>in</strong>imiert. Das kann man z. B. dadurch erreichen, dass man dieKatalysatoren so präpariert, dass sie gleich aus e<strong>in</strong>em stabilenGemisch von Palladium und e<strong>in</strong>em anderen Element wie etwaGallium entstehen.Dieses Beispiel zeigt, dass der E<strong>in</strong>satz von <strong>Synchrotronstrahlung</strong><strong>in</strong> Komb<strong>in</strong>ation <strong>mit</strong> anderen Techniken erlaubt, dasgrundsätzliche Verständnis von chemischen Reaktionen deutlichzu erweitern und Wege aufzuzeigen, wie Materialien fürKatalysatoren und den E<strong>in</strong>satz <strong>in</strong> der chemischen Industrie verbessertwerden können.Abbildung:Mit Hilfe von <strong>Synchrotronstrahlung</strong>zeigte sich,wie sich <strong>in</strong> e<strong>in</strong>e Palladiumschichte<strong>in</strong>gelagerterKohlenstoff auf e<strong>in</strong>enKatalyseprozess auswirkt.Durch den Kohlenstoffsteht weniger Wasserstoffzur Verfügung und eskommt eher zum gewünschtenH<strong>in</strong>zufügenvon zwei (l<strong>in</strong>ks) 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 <strong>in</strong> Palladium-Catalyzed AlkyneHydrogenation.Science 320 (2008) 86<strong>Synchrotronstrahlung</strong> <strong>2009</strong> 13