Mikroskopie der Katalyse macht deutlich, warum manche Effekte nicht vorhersehbar sind

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Katalysatoren aus winzigen Metallpartikeln spielen in vielen Bereichen der Technik eine wichtige Rolle – von der Brennstoffzelle bis zur Herstellung synthetischer Kraftstoffe zur Energiespeicherung. Das genaue Verhalten von Katalysatoren hängt jedoch von vielen feinen Details ab und ihr Zusammenspiel ist oft schwer zu verstehen. Selbst wenn man genau denselben Katalysator zweimal herstellt, kommt es häufig vor, dass sich diese beiden in kleinsten Aspekten unterscheiden und sich daher chemisch sehr unterschiedlich verhalten.

An der TU Wien versuchen Wissenschaftler, die Gründe für solche Effekte zu identifizieren, indem sie die katalytischen Reaktionen, die an verschiedenen Orten dieser Katalysatoren ablaufen, mithilfe verschiedener Mikroskopietechniken abbilden. Ein solcher Ansatz ermöglicht ein zuverlässiges, mikroskopisch korrektes Verständnis der katalytischen Prozesse.

Dabei stellte sich heraus, dass selbst relativ „einfache“ Katalysatorsysteme komplexer waren als erwartet. Beispielsweise bestimmen nicht nur die Größe der eingesetzten Metallpartikel oder die chemische Beschaffenheit des Trägermaterials die katalytischen Eigenschaften. Selbst innerhalb eines einzelnen Metallpartikels können auf der Mikrometerskala unterschiedliche Szenarien vorherrschen. In Kombination mit numerischen Simulationen könnte dann das Verhalten verschiedener Katalysatoren erklärt und korrekt vorhergesagt werden.

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„Wir untersuchen die Verbrennung des möglichen zukünftigen Energieträgers Wasserstoff mit Sauerstoff zu reinem Wasser, indem wir Rhodiumpartikel als Katalysatoren verwenden“, erklärt Prof. Günther Rupprechter vom Institut für Materialchemie der TU Wien. Dabei spielen verschiedene Parameter eine wichtige Rolle: Wie groß sind die einzelnen Rhodiumpartikel? An welches Trägermaterial binden sie? Bei welcher Temperatur und welchem ​​Reaktantendruck findet die Reaktion statt?

„Der Katalysator besteht aus geträgerten Rhodiumpartikeln, verhält sich aber nicht wie ein einheitliches Objekt, das sich durch ein paar einfache Parameter beschreiben lässt, wie es in der Vergangenheit oft versucht wurde“, betont Günther Rupprechter. „Es wurde schnell klar, dass das katalytische Verhalten an verschiedenen Katalysatorstandorten stark variiert. Ein bestimmter Bereich auf einem bestimmten Rhodiumpartikel kann katalytisch aktiv sein, während ein anderer, nur Mikrometer entfernt, möglicherweise katalytisch inaktiv ist. Und ein paar Minuten später die Situation.“ könnte sich sogar umgekehrt haben.

Für die Experimente stellte der Erstautor der Studie, die in der renommierten Fachzeitschrift ACS Catalysis veröffentlicht wurde, Dr. Philipp Winkler, eine beeindruckende Katalysatorprobe her, bestehend aus neun verschiedenen Katalysatoren mit unterschiedlich großen Metallpartikeln und unterschiedlichen Trägermaterialien. In einer speziellen Apparatur konnten daher alle Katalysatoren gleichzeitig in einem einzigen Experiment beobachtet und verglichen werden.

„Mit unseren Mikroskopen können wir feststellen, ob der Katalysator katalytisch aktiv ist, welche chemische Zusammensetzung und welche elektronischen Eigenschaften er hat – und das für jede einzelne Stelle der Probe“, sagt Philipp Winkler. „Herkömmliche Methoden messen im Gegensatz dazu meist nur einen Durchschnittswert über die gesamte Stichprobe. Wie wir gezeigt haben, reicht dies jedoch oft bei weitem nicht aus.“

Chemische Analysen im mikroskopischen Maßstab haben gezeigt, dass die Katalysatorzusammensetzung lokal noch stärker variieren kann als erwartet: Selbst innerhalb der einzelnen Metallpartikel waren starke Unterschiede zu beobachten. „Atome des Trägermaterials können auf oder in die Partikel wandern oder sogar Oberflächenlegierungen bilden“, erklärt Günther Rupprechter. „Irgendwann gibt es gar keine klare Grenze mehr, sondern einen kontinuierlichen Übergang zwischen Katalysatorpartikel und Trägermaterial. Diesen Umstand muss unbedingt berücksichtigt werden – denn er beeinflusst auch die chemische Aktivität.“

In einem nächsten Schritt wird das Team der TU Wien die gewonnenen Erkenntnisse und erfolgreichen Methoden anwenden, um noch komplexere katalytische Prozesse in Angriff zu nehmen, um weiterhin Prozesse auf mikroskopischer Ebene zu erklären, zur Entwicklung verbesserter Katalysatoren beizutragen Suche nach neuen Katalysatoren.

Referenz: Winkler P, Raab M, Zeininger J, et al. Abbildung von Grenzflächen- und Partikelgrößeneffekten durch korrelative In-situ-Mikroskopie einer katalytischen Reaktion. ACS Catal. 2023;13(11):7650-7660. doi: 10.1021/acscatal.3c00060

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