Chemische Prozesse Aktivität von Katalysatoren genau beobachtet

Wissenschaftlern der Technischen Universität München ist es mit einem Rastertunnelmikroskop erstmals gelungen, während einer chemischen Reaktion die Aktivität von Katalysatoren genau zu verfolgen. Entscheidend ist dabei die Oberflächenstruktur.

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Soll die Energiewende erfolgreich gestaltet werden, führt an Katalysatoren kein Weg vorbei: Die chemischen Prozesse, die notwendig sind, um mit Strom Wasserstoff herzustellen und diesen in Brennstoffzellen wieder in elektrische Energie zu verwandeln, würden ohne sie viel zu langsam ablaufen. Denn Katalysatoren beschleunigen die chemischen Reaktionen, ohne dabei verbraucht zu werden.

„Sie sind für die Industrie enorm wichtig. Diese hat daher großes Interesse daran, die Materialien weiter zu verbessern, um die Effizienz der Prozesse zu erhöhen“, erklärt Aliaksandr Bandarenka, Professor für Physik der Energiewandlung und -speicherung an der Technischen Universität München (TUM).

Aktivität der Katalysatoren lässt sich genau ermitteln

Gemeinsam mit seinem Team konnte der Chemiker über ein Rastertunnelmikroskop erstmals die Aktivität von Katalysatoren während einer chemischen Reaktion bis ins Detail verfolgen. Die Messungen zeigen, wie die Oberflächenstruktur der Katalysatoren ihre Aktivität beeinflusst. Es konnte genau ermittelt werden, an welchen Stellen die Reaktionsgeschwindigkeit und damit die Aktivität der Katalysatoren am höchsten ist. Die neue Analysemethode lasse sich nun nutzen, um Katalysatoren für die elektrochemische Industrie zu verbessern.

Wissenschaftler erforschen schon seit Langem die Zusammenhänge zwischen der Oberflächenstruktur und der Aktivität heterogener Katalysatoren, bei denen chemische Reaktionen an der Grenzfläche zwischen Feststoff und Flüssigkeit beziehungsweise Gas stattfinden. „Die chemischen Reaktionen laufen jedoch nicht überall gleich schnell ab, sondern es gibt auf der Oberfläche der Katalysatoren aktive Zentren“, berichtet Bandarenka. „Um diese zu lokalisieren, waren wir bisher auf Modellrechnungen und indirekte Messungen angewiesen.“

Tunnelstrom fließt stärker, aber unregelmäßig

Mit dem neuen Analyseverfahren lassen sich die aktiven Zentren laut TUM jetzt erstmals experimentell nachweisen. Dazu werden Proben mit Katalysatormaterialien – darunter Platin und eine Kombination aus Gold und Palladium – mit einer flüssigen Elektrolytschicht bedeckt und im Rastertunnelmikroskop untersucht. Während Wasserstoffionen, also Protonen, aus dem Elektrolyten an der Oberfläche des Katalysators Elektronen aufnehmen und Wasserstoffgas bilden, rastert die Spitze des Mikroskops im Abstand von nur wenigen Nanometern die Katalysatoroberfläche ab.

Punkt für Punkt wird nun der Tunnelstrom gemessen, der zwischen Oberfläche und Spitze fließt. Ein angeschlossener Rechner registriert die Signale. „Interessanterweise sind die Tunnelströme nicht überall gleich. Da gibt es Bereiche, in denen der Strom stärker, aber unregelmäßig fließt – er rauscht“, sagt Bandarenka. Dieses Rauschen sei seit Längerem bekannt, doch bisher habe niemand nach den Ursachen gefragt.

Kleine Defekte und Materialgrenzen sind ideal für die Katalyse

Bei der Auswertung der Daten stieß das TUM-Team jetzt auf einen eindeutigen Zusammenhang zwischen der Intensität des Rauschens und Defekten an der Oberfläche der Katalysatoren – mikroskopisch feinen Stufen, Kanten oder Ecken. „Mit der Zahl der Defekte nimmt das Rauschen zu – es fließen mehr Elektronen und damit mehr Strom“, erläutert Bandarenka. Kleine Defekte im Atomgitter, aber auch Grenzen zwischen Materialien – beispielsweise Palladium auf Gold – scheinen nach den Erkenntnissen der Forschergruppe ideale Bedingungen für die Katalyse zu schaffen.

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