Mut zur Lücke: Reaktion an Defekten
RUB-Chemiker klären Methanolsynthese auf
„Angewandte Chemie“: Perfekte Oberflächen sind inaktiv
Schon ein einziges fehlendes Sauerstoffatom in der Oxidoberfläche macht Zinkoxid zu einem Katalysator für die Methanolsynthese. Eine perfekte Oberfläche ist vollkommen inaktiv; erst an dieser „Lücke“ entsteht ein reaktives Zentrum. Das konnte ein Team von experimentell und theoretisch arbeitenden Chemikern im Sonderforschungsbereich Metall-Substrat-Wechselwirkungen in der heterogenen Katalyse (SFB 558) der Ruhr-Universität mittels genauer Messungen und quantenchemischer Berechnungen erstmals nachweisen. Über ihre Ergebnisse berichten sie in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“.
Katalyse: Unerwünschtes beseitigen, Wertstoffe herstellen
Die großtechnische Umwandlung von chemischen Stoffen mittels Katalyse spielt eine immer größere Rolle in der industriellen Wertschöpfungskette. „Heterogene Katalysatoren dienen dabei sowohl zur Vernichtung unerwünschter Substanzen wie Kohlenmonoxid im PKW-Kat als auch zur Erzeugung von Wertstoffen, z.B. Methanol für Brennstoffzellen“, erklärt der Sprecher des Sonderforschungsbereichs, Prof. Christof Wöll. Für viele dieser Prozesse sind Metalloxide von wesentlicher Bedeutung. Die genaue Erforschung der Reaktionsmechanismen an diesen Materialien war bislang dadurch erschwert, dass einerseits z.B. für die Methanolsynthese perfekte Zinkoxid-Oberflächen fast völlig inaktiv sind, dass andererseits die leistungsfähigsten Untersuchungsmethoden aber hochgeordnete Materialien benötigen.
Kombination aus Experiment und Theorie
Im Rahmen der Arbeiten des Sonderforschungsbereichs „Metall-Substrat-Wechselwirkungen in der heterogenen Katalyse“ (SFB 558) an der Ruhr-Universität ist es nun erstmals gelungen, den Mechanismus der Umwandlung von Kohlenmonoxid in Methanol mittels Zinkoxid aufzuklären. Die Forscher bedienten sich dafür einer Kombination von Experiment und Theorie. Grundlage dafür waren hochgenaue Messungen an Zinkoxidpulvern mit speziell optimierten Testapparaturen und parallel dazu die Modellierung einer Defektstelle mit modernen quantenchemischen Methoden. „Es zeigte sich, dass durch Entfernen eines einzelnen Sauerstoffatoms aus der Oxidoberfläche ein reaktives Zentrum entsteht, das die erforderliche Aktivität aufweist und die gemessenen Daten sehr gut erklären kann“, fasst Prof. Wöll zusammen. Die Rechnungen zeigten auch eindeutig, dass die perfekte Oberfläche völlig inaktiv ist.
Titelaufnahme Melanie Kurtz, Jennifer Strunk, Olaf Hinrichsen, Martin Muhler, Karin Fink, Bernd Meyer und Christof Wöll: Aktive Zentren an Oxidoberflächen: Die ZnO-katalysierte Methanolsynthese aus CO und H2. In: Angewandte Chemie 2005, 117, S. 2850 – 2854.
Zinkoxid
Auf der perfekten Oberfläche von Zinkoxid kann Kohlenmonoxid nicht adsorbieren. Durch Entfernen des grün gezeichneten Sauerstoffatoms (Mitte) entsteht ein Defekt (sog. Sauerstoff-Fehlstelle), die chemisch sehr aktiv ist und unter katalytischen Bedingungen aus Kohlenmonoxid den Wertstoff Methanol erzeugen kann.
Prof. Dr. Christof Wöll, Sprecher des SFB 558, Lehrstuhl für Physikalische Chemie I, Fakultät für Chemie der Ruhr-Universität Bochum, 44780 Bochum, NC 5/ 74, Tel. 0234/32-25529, Fax: 0234/32-14182
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