Überall werden Stoffe durch chemische Reaktionen gewandelt, etwa im menschlichen Körper zur Energieversorgung, im Auto zur Abgasreinigung oder in der chemischen Industrie für Düngemittel, Fein- und Basischemikalien. Um diese Reaktionen möglichst effizient, das heißt unter geringem Energieaufwand, und möglichst selektiv, also ohne Nebenreaktionen, ablaufen zu lassen, sind sehr häufig Katalysatoren im Einsatz.
Kurz gesagt: Durch Katalysatoren können Produktionskosten gesenkt und Schadstoffe gemindert werden. Einem Forschungsteam um die Arbeitsgruppe „Materialien für innovative Energiekonzepte“ unter der Leitung von Prof. Dr. Marc Armbrüster, Inhaber der Professur Materialien für innovative Energiekonzepte an der Technischen Universität Chemnitz, sowie des Max-Planck-Instituts für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden um Prof. Juri Grin ist es nun gelungen, die intrinsischen Beiträge zur katalytischen Aktivität getrennt voneinander zu untersuchen.
Dadurch können effektive Katalysatoren zielgerichtet und somit schneller entwickelt werden. Die Ergebnisse ihrer Studie veröffentlichten die Forscherinnen und Forscher im renommierten Fachjournal Journal of the American Chemical Society (JACS).
Der Weg zu herausragenden katalytischen Eigenschaften
Die intrinsischen Eigenschaften lassen sich in sogenannte „geometrische“ und „elektronische“ Effekte unterteilen. Unter geometrischen Effekten kann man sich die Anordnung und die Abstände zwischen einzelnen Atomen auf der Katalysatoroberfläche vorstellen, wo die Reaktion stattfindet. Elektronische Effekte lassen sich beispielsweise durch die Anzahl an Elektronen pro Volumeneinheit im Katalysatormaterial umschreiben.
Beide Effekte sind abhängig vom Material, also den eingesetzten Elementen und der sich ausbildenden Struktur. Da man durch die Veränderung der Katalysatorzusammensetzung unweigerlich auf beide Anteile Einfluss nimmt, war eine unabhängige Untersuchung geschweige denn deren jeweilige Optimierung bisher nicht möglich.
„Durch den Einsatz von intermetallischen Verbindungen gelang es, die geometrische Anordnung auf der Katalysatoroberfläche zu fixieren, während der gezielte Austausch einzelner Elemente entweder den Abstand zwischen den Atomen verändert oder die Anzahl der Elektronen im Material variiert“, sagt Armbrüster. Damit entwickelte das Team ein Leitsystem, das durch den gezielten Austausch zügig zu überlegenen Materialien führt.
Dieses wurde anhand der elektrochemischen Oxidation von Methanol, einem potentiellen Speichermolekül für die Energiewende, getestet. Hierbei konnten durch die geeignete Kombination von elektronischen und geometrischen Effekten herausragende katalytische Eigenschaften erreicht werden, die eine effektive energetische Nutzung von Methanol ermöglichen könnten.
Leitsystem ermöglicht effektive Entwicklung von Katalysator-Materialien
Die Katalysator-Forschung verlaufe meist empirisch, also durch Ausprobieren und das Vertrauen auf Erfahrungswerte: „Der perfekte Katalysator für einen spezifischen Prozess ist wie die sprichwörtliche Nadel im Heuhaufen und der Wissenschaftler vertraut bei der Suche auf seine Erfahrung“, sagt Armbrüster.
In den vergangenen 20 Jahren konnten jedoch vielfach die intrinsischen Eigenschaften der Katalysator-Materialien in Zusammenhang mit deren Selektivität und Aktivität gebracht werden. Durch das neue Leitsystem wird eine effektive Entwicklung von Katalysator-Materialien ermöglicht, die dann in zahlreichen Reaktionen, zum Beispiel für die Nutzung erneuerbarer Energieträger im Rahmen der Energiewende, zum Einsatz kommen können.
