Neue Methode zur Entwicklung effizienter Katalysatoren

Neue Methode zur Entwicklung effizienter Katalysatoren

09.10.2015
© Wenzel Schürmann, TU München
Platinelektrode

Ein internationales Forscherteam hat eine neue Methode vorgestellt, um Katalysatoren am Computer zu entwerfen. Das Besondere: Im Gegensatz zu früheren Verfahren lassen sich die so vorgeschlagenen Oberflächen auch experimentell herstellen. Forscher der RUB und TU München sowie aus Lyon und Leiden berichten in „Science“.

Beitrag zur Energiewende

Katalysatoren sind in der Industrie alltäglich im Einsatz, um chemische Reaktionen zu ermöglichen, zu beschleunigen oder in eine bestimmte Richtung zu lenken. Viele Reaktionen könnten aber noch effizienter ablaufen, und manche Anwendungen wie Brennstoffzellen erfordern neue hochaktive und stabile Katalysatoren. Entscheidend ist das aktive Zentrum, wo die Substanzen binden, deren Reaktion der Katalysator beschleunigen soll.

Mithilfe von Computern entwickeln Forscherinnen und Forscher neue noch wirksamere Katalysatoren. Atom für Atom bauen sie die aktiven Zentren am Rechner zusammen und simulieren, wie effizient das Produkt arbeiten kann. Die bislang verfügbaren Verfahren konnten dabei nur die Adsorptionsenergie eines Katalysators vorhersagen; das ist die Energie, die frei wird, wenn ein Molekül an das aktive Zentrum bindet. Aussagen über die Struktur des aktiven Zentrums waren hingegen nicht möglich. Mit anderen Worten: Die Methode liefert nur eine Aussage darüber, wie sich der optimale Katalysator für eine Reaktion verhält, aber nicht darüber, wie er aussieht. Um eine passende Oberfläche zu finden, mussten Forscher große Datenbanken durchsuchen und viele Tests durchführen.

Ein internationales Team, dem unter anderem Prof. Dr. Karina Morgenstern (RUB-Lehrstuhl für Physikalische Chemie I), Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann (RUB-Lehrstuhl für Analytische Chemie) und Prof. Dr. Aliaksandr Bandarenka (jetzt TU München) angehörten, stellte in „Science“ ein neues Verfahren vor. Dieses sagt nicht nur die Adsorptionsenergien eines optimalen Katalysators voraus, sondern verrät auch etwas über seine Struktur. Es basiert auf einem der einfachsten Konzepte der Chemie, der Koordinationszahl. Diese beschreibt die Anzahl von Atomen in der Nachbarschaft des aktiven Zentrums.

Am Computer entwarfen die Forscher einen Platin-Katalysator für Brennstoffzellen und zeigten, dass die Koordinationszahl mit der Aktivität des Katalysators zusammenhängt. Basierend auf dem Computermodell synthetisierten sie die Oberfläche auf drei verschiedene Arten. Die vorhergesagte Aktivität stimmte dabei mit den gemessenen Werten überein. Das neue Verfahren wird es in Zukunft einfacher machen, am Rechner entwickelte Katalysatoren im Experiment umzusetzen, prognostiziert das Team. So könnten sich Katalysatoren realisieren lassen, die für die Energiewende notwendig sind.

Förderung

Die Arbeiten haben im Rahmen des Exzellenzclusters RESOLV (EXC 1069) stattgefunden, den die Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert.


Titelaufnahme

F. Calle-Vallejo, J. Tymoczko, V. Colic, Q. Huy Vu, M.D. Pohl, K. Morgenstern, D. Loffreda, P. Sautet, W. Schuhmann, A.S. Bandarenka (2015): Finding optimal surface sites on heterogeneous catalysts by counting nearest neighbors, Science, DOI: 10.1126/science.aab3501

Text: Julia Weiler

Weitere Informationen

Prof. Dr. Karina Morgenstern, Lehrstuhl für Physikalische Chemie I, Fakultät für Chemie und Biochemie der Ruhr-Universität Bochum, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-25529 Karina.Morgenstern@rub.de

Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann, Analytische Chemie – Elektroanalytik & Sensorik, Fakultät für Chemie und Biochemie der Ruhr-Universität Bochum, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-26200 wolfgang.schuhmann@rub.de

Angeklickt

 


Atom für Atom bauen Forscher potenzielle Katalysatoren am Computer zusammen. Die Koordinationszahl, also die Anzahl der benachbarten Atome, erlaubt dabei Voraussagen über die katalytische Aktivität. © David Loffreda, CNRS, Lyon