Katalyseforschung - eine Herausforderung

NO-Moleküle dissoziieren auf einer Katalysatoroberfläche in Stickstoff- und Sauerstoffatome. Der Zerfall der Moleküle erfolgt an einem Strukturdefekt des Metalls, einer atomaren Stufe in der Bildmitte (schwarzer Streifen). Bild vergrößern
NO-Moleküle dissoziieren auf einer Katalysatoroberfläche in Stickstoff- und Sauerstoffatome. Der Zerfall der Moleküle erfolgt an einem Strukturdefekt des Metalls, einer atomaren Stufe in der Bildmitte (schwarzer Streifen).

Durch Zugabe von sogenannten Katalysatoren zu einem Reaktionsgemisch lässt sich der zeitliche Ablauf einer chemischen Reaktion, ihre Kinetik, beeinflussen. Dabei können die Katalysatoren die gleiche Phase aufweisen wie die an der Reaktion beteiligten Ausgangsstoffe (Reaktanden), das heißt sie können beispielsweise gasförmig sein. Man spricht dann von homogener Katalyse. Oder sie können verschiedenen Phasen angehören, was man als heterogene Katalyse bezeichnet.

Der Chemiker Jöns Jakob Berzelius definierte Katalysatoren Anfang des 19. Jahrhunderts als Materialien, welche durch ihre bloße Gegenwart und ohne an der gewünschten Reaktion teilzunehmen, die Geschwindigkeit dieser Reaktion verändern können. Daher benötigt man nur eine geringe Menge von Katalysatoren im Vergleich zur Menge der eigentlichen Ausgangsstoffe. Heute wissen wir, dass Katalysatoren sehr wohl an der Reaktion, die sie beeinflussen, teilnehmen, dass sie aber die Fähigkeit besitzen sich zu regenerieren. In katalytischen Zyklen führen sie daher vielfach die identische Reaktion aus und bilden immer wieder ihre Ausgangsstruktur zurück. Katalysatoren sind also dynamische Materialien, deren Funktion auch darin besteht, sich in ihrer Struktur an die Reaktionsumgebung anpassen zu können. Und genau darin liegt die enorme Herausforderung für die Wissenschaft: Die Untersuchung der Funktion muss unter den Bedingungen chemischer Reaktionen ausgeführt werden. Das macht Katalyseforschung so knifflig.

Warum studiert man Katalysatoren?

Katalyse ist die Schlüsseltechnologie der chemischen Industrie: 90 Prozent aller Produkte dieser Industrie, die etwa 18 Prozent des Welt-Brutto-Sozialproduktes hervorbringt, werden durch Katalyse gewonnen! Ohne diese Produkte gäbe es keine modernen Technologien und die Menschheit könnte nicht mehr ernährt werden. Treibstoffe, Düngemittel, Kunststoffe, Farbstoffe, Arzneimittel, Pflanzenschutzmittel sowie Hilfsstoffe für die Lebensmittelindustrie und für die Elektro- und Halbleiterindustrie – all das wird erst durch Katalyse möglich.

Der überwiegende Teil der etwa 25.000 mengenmäßig großen Prozesse der Industrie wird heterogen katalytisch ausgeführt. Heterogene Katalysatoren schützen die Umwelt in Abgasreinigungsanlagen mobiler („Autokatalysator“) und stationärer Quellen (Rauchgasreinigung in Kraftwerken). Katalytische Prozesse ermöglichen das Leben („Biokatalyse“) und tragen wesentlich zu Klimaprozessen bei (Ozonloch, Sommersmog). Zukünftige Energieversorgungssysteme und Speicherprozesse werden nur mit heterogener Katalyse (Brennstoffzelle, Wasserstoffwirtschaft) funktionieren.

Alle nicht-natürlichen Katalyseprozesse laufen nur mit einer deutlich geringeren Wirksamkeit ab als thermodynamisch möglich wäre. Es wird geschätzt, dass optimale Katalysatoren bis zu 50 Prozent des Energieaufwandes der chemischen Industrie einsparen könnten. Neben der wissenschaftlichen Neugier, einen so wichtigen Prozess wie Katalyse grundsätzlich zu verstehen, gibt es also massive praktische Gründe, die Grundlagenforschung der Katalyse so weit zu entwickeln, dass man von empirischen Reihenversuchen bei der Katalysatorentwicklung zu planvollen Konstruktionsprozessen übergehen kann. Doch noch sind die Forscher von diesem gezielten „Design“ von Katalysatoren weit entfernt. Um den Prozess trotzdem zu beschleunigen, helfen sie sich derzeit mit der Entwicklung robotischer Testverfahren (Hochdurchsatzverfahren).

Wie funktionieren heterogene Katalysatoren grundsätzlich?

Die physikalische Chemie hat in den letzten 50 Jahren das Funktionskonzept von Katalysatoren entschlüsselt: Sie erniedrigen die Energiebarrieren, welche die Umwandlung molekularer Strukturen steuern. Das geschieht, indem die in die Reaktion eingehenden Ausgangsmoleküle, die sogenannten Reaktanden, auf der Grenzfläche Katalysator-Reaktionsatmosphäre adsorbiert werden. Danach werden sie durch den Bruch chemischer Bindungen aktiviert. Die Fragmente reagieren zu neuen Molekülen und lösen sich von der Oberfläche ab. Transportprozesse mit kritischen Dimensionen im Nanometerbereich und die elektronische Struktur der Oberfläche am Ort der Reaktion bestimmen dabei das Geschehen.

Das Brechen und Knüpfen chemischer Bindungen geschieht über den zeitweiligen Austausch von Elektronen zwischen Katalysator und Reaktand: Die gebenden und nehmenden elektronischen Zustände müssen sehr genau übereinstimmen, damit eine effektive Reaktion (Aktivität) ablaufen kann. Die reaktiven Zentren dürfen dabei weder verarmen noch mit der richtigen Elektronenstruktur (und damit mit einer hochspezifischen geometrischen Struktur) blockiert werden, sonst beobachtet man keine dauerhafte Aktivität. Daher spielen Transportprozesse der miteinander reagierenden Ausgangsstoffe und natürlich die Energie eine sehr wichtige Rolle. Sie bestimmen die katalytische Aktivität ebenso sehr wie die atomaren Details des Systems. Der Katalysezyklus wird geschlossen, indem das reaktive Zentrum wieder die gleiche geometrische und elektronische Struktur erhält, die es zu Beginn der Reaktion hatte.

Was nützt das Verständnis von Katalysatoren?

Die elementaren Prozesse von Katalysatoren werden an Modellsystemen studiert, welche wohl definierte Oberflächen zur Verfügung stellen. Nur an solchen Systemen können die modernen theoretischen und experimentellen Methoden zur Strukturbestimmung eingesetzt werden. Mit ihnen beantworten die Forscher Fragen nach der Natur, Struktur und der Energetik von Elementarreaktionen. Jener Schritt im Prozess, welcher am langsamsten verläuft, interessiert sie dabei besonders. Denn dieser bestimmt die Gesamteffektivität der Reaktion.

Wenn Wissenschaftler vom „Design“ von Katalysatoren sprechen, dann meinen sie eine systematische Verbesserung genau dieses Schrittes durch Veränderung der geometrischen und elektronischen Struktur. Allerdings haben sie bis heute noch keine Methoden gefunden, aktive Zentren zu identifizieren oder gar sichtbar zu machen. Daher ist auch nicht bekannt, wie viele aktive Zentren pro Oberflächeneinheit auf einem Katalysator vorliegen, was neben der Funktionsaufklärung die Bestimmung der Aktivität sehr erschwert.

Immerhin ist es gelungen – obwohl die Modellexperimente weder an realen Katalysatoren noch unter realen Bedingungen stattfinden – kinetische Modelle zu entwickeln, die heute Grundlage für eine Prozessentwicklung sind und die es ermöglichen, die Produktivität von Katalysatoren in einer Reaktion vorherzusagen, und zwar in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Reaktionsgemisches, der Temperatur und dem Druck.

Allerdings funktioniert diese Kombination aus Theorie und Modellexperiment nur bei sehr wenigen Reaktionen so gut, dass sich praktische Konsequenzen für die Katalysatorentwicklung im Rahmen dieses „rationalen Ansatzes“ ableiten lassen. Diese kinetisch „anspruchslosen“ Reaktionen wie die Oxidation von Kohlenmonoxid oder die Synthese von Ammoniak nach dem Haber-Bosch-Verfahren sind zwar wichtig, lassen sich aber nicht als Modelle für kinetisch anspruchsvolle Reaktionen benutzen. Katalysatoren für diese extrem bedeutsamen Prozesse müssen trotz des enormen Wissens, das heute vorliegt, immer noch nach dem „empirischen Ansatz“ durch Intuition und Erfahrung entwickelt werden.

Gekürzte und leicht veränderte Fassung eines Beitrags von Prof. Robert Schlögl, Fritz-Haber-Institut (2006)

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