Winzige Teilchen, große Überraschungen: Die unerwartete Komplexität von Katalysatoren

Von der Technischen Universität Wien, 7. Juni 2023

Katalyse unter dem Mikroskop. Forscher der TU Wien haben mithilfe fortschrittlicher Mikroskopietechniken komplizierte Komplexitäten im Katalysatorverhalten entdeckt. Die Studie ergab, dass Faktoren wie Partikelgröße, Art des Trägermaterials, Temperatur und Reaktantendrücke eine entscheidende Rolle bei der katalytischen Aktivität spielen. Die Entdeckung erheblicher lokaler Variationen innerhalb einzelner Katalysatorpartikel wird die künftige Forschung zu komplexeren Prozessen und die Entwicklung verbesserter Katalysatoren beeinflussen. Bildnachweis: TU Wien

An der TU Wien nutzen Wissenschaftler Techniken der Mikroskopie, um chemische Reaktionen an Katalysatoren genauer als bisher und mit einer Fülle von Details zu beobachten. Dadurch wurde deutlich, warum manche Auswirkungen nicht vorhersehbar sind.

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. So bestimmen beispielsweise 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.

Neun verschiedene Katalysatoranordnungen wurden verwendet, um Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser umzuwandeln. Bildnachweis: TU Wien

„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 Katalysatororten stark variiert. Ein bestimmter Bereich auf einem bestimmten Rhodiumpartikel kann katalytisch aktiv sein, während ein anderer, nur wenige Mikrometer entfernt, katalytisch inaktiv sein kann. 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 die katalytische Aktivität des Katalysators, seine chemische Zusammensetzung und seine elektronischen Eigenschaften bestimmen – 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: „Imaging Interface and Particle Size Effects by In Situ Correlative Microscopy of a Catalytic Reaction“ von Philipp Winkler, Maximilian Raab, Johannes Zeininger, Lea M. Rois, Yuri Suchorski, Michael Stöger-Pollach, Matteo Amati, Rahul Parmar, Luca Gregoratti und Günther Rupprechter, 23. Mai 2023, ACS Catalysis.DOI: 10.1021/acscatal.3c00060