Chemische Reaktion am Katalysator in Echtzeit beobachtet
© Gregory Stewart at SLAC National Accelerator Laboratory
Eine internationale Gruppe von Wissenschaftlern hat am Freie-Elektronenlaser LCLS in Stanford erstmals in Echtzeit beobachtet, wie sich Kohlenmonoxid-Gas an der Oberfläche eines Katalysators genau verhält. Dabei wird ein Teil der CO-Moleküle offenbar dicht über der Oberfläche schwach gebunden. Damit können sich die Moleküle zwar nicht entfernen, bleiben aber parallel zur Oberfläche beweglich, so dass sie möglicherweise mit weiteren Reaktionspartnern reagieren können.Die Forscher konnten damit einen Teilschritt einer elementar wichtigen Reaktion aufklären.
Kohlenmonoxid ist ein geruchloses, giftiges Gas, das zum Beispiel bei der Verbrennung von Treibstoff entsteht. Erst ein geigneter Katalysator sorgt dafür, dass Kohlenmonoxid-Moleküle mit Luftsauerstoff zu ungiftigem Kohlendioxid-Gas weiterreagieren. Bislang war nur der grobe Ablauf dieses katalytischen Prozesses klar. „Katalysatoren werden bei so vielen industrierelevanten chemischen Reaktionen eingesetzt, dass es wirklich lohnt, genauer hinzuschauen. Das haben wir hier am Beispiel eines elementaren Prozesses nun gemacht“, sagt Dr. Martin Beye vom HZB, der an der Studie beteiligt war.
Die Forscher haben untersucht, wie sich Kohlenmonoxid-Moleküle von einer Rutheniumoberfläche ablösen (desorbieren). Ruthenium ist ein Metall, das ähnlich wie Platin als Katalysator wirken kann. Mit ultrakurzen und hochintensiven Lichtblitzen am Freie-Elektronenlaser LCLS am SLAC in Stanford machten sie Momentaufnahmen, die Rückschlüsse darüber erlauben, wie sich die CO-Moleküle von der Katalysatoroberfläche lösen. Sie beobachteten, dass etwa ein Drittel der CO-Moleküle nicht direkt von der Oberfläche wegfliegt, sondern dicht über der Oberfläche in einer Art ”Zwischenzustand” gefangen wird. Diese schwache Bindung sorgt dafür, dass die Moleküle sich nicht wieder entfernen können, aber trotzdem parallel zur Oberfläche beweglich bleiben.Solche schwachgebunden, aktivierten Zustände könnten eine wichtige Rolle in katalytischen Prozesse spielen, vermuten die Forscher. Ihre Ergebnisse haben sie nun im Fachmagazin Science veröffentlicht.
Beteiligt an der internationalen Kollaboration waren Forscher aus dem Center for Free Electron Laser Science bei DESY und der Universität Hamburg, SLAC National Accelerator Laboratory, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, European XFEL, Universität Potsdam, Stockholm University, Technical University of Denmark, Stanford University, Fritz-Haber Institut. Hauptautor der Arbeit war Anders Nilsson, Stockholm University und SLAC.
Originalveröffentlichung:
“Real-Time Observation of Surface Bond Breaking with an X-ray Laser”; Martina Dell´Angela et al.; Science, 2013; DOI:10.1126/science.1231711
Presseinfo SLAC: Breakthrough Research Shows Chemical Reaction in Real Time
- Neues Instrument bei BESSY II: Die OÆSE-Endstation in EMILAn BESSY II steht nun ein neues Instrument zur Untersuchung von Katalysatormaterialien, Batterieelektroden und anderen Energiesystemen zur Verfügung: die Operando Absorption and Emission Spectroscopy on EMIL (OÆSE) Endstation im Energy Materials In-situ Laboratory Berlin (EMIL). Ein Team um Raul Garcia-Diez und Marcus Bär hat die Leistungsfähigkeit des Instruments an elektrochemisch abgeschiedenem Kupfer demonstriert.
- Grüner Wasserstoff: Käfigstruktur verwandelt sich in effizienten KatalysatorClathrate zeichnen sich durch eine komplexe Käfigstruktur aus, die auch Platz für Gast-Ionen bietet. Nun hat ein Team erstmals untersucht, wie gut sich Clathrate als Katalysatoren für die elektrolytische Wasserstoffproduktion eignen. Das Ergebnis: Effizienz und Robustheit sind sogar besser als bei den aktuell genutzten Nickel-basierten Katalysatoren. Dafür fanden sie auch eine Begründung. Messungen an BESSY II zeigten, dass sich die Proben während der katalytischen Reaktion strukturell verändern: Aus der dreidimensionalen Käfigstruktur bilden sich ultradünne Nanoblätter, die maximalen Kontakt zu aktiven Katalysezentren ermöglichen. Die Studie ist in „Angewandte Chemie“ publiziert.
- Solarzellen auf Mondglas für eine zukünftige Basis auf dem MondZukünftige Mondsiedlungen werden Energie benötigen, die Photovoltaik liefern könnte. Material in den Weltraum zu bringen, ist jedoch teuer – ein Kilogramm zum Mond zu transportieren, kostet eine Million Euro. Doch auch auf dem Mond gibt es Ressourcen, die sich nutzen lassen. Ein Forschungsteam um Dr. Felix Lang, Universität Potsdam, und Dr. Stefan Linke, Technische Universität Berlin, haben nun das benötigte Glas aus „Mondstaub“ (Regolith) hergestellt und mit Perowskit beschichtet. Damit ließe sich bis zu 99 Prozent des Gewichts einsparen, um auf dem Mond PV-Module zu produzieren. Die Strahlenhärte konnte das Team am Protonenbeschleuniger des HZB getestet.