Unter die Oberfläche geschaut

Wenn viel Wasserstoff an der Reaktion beteiligt ist, dringen Wasserstoffatome (rot) ins Palladium ein, Pentin wird zu Pentan (re.). Mit weniger Wasserstoff bildet sich eine Palladium-Kohlenstoff- Schicht (blau) unter der Oberfläche (li.). Bild vergrößern
Wenn viel Wasserstoff an der Reaktion beteiligt ist, dringen Wasserstoffatome (rot) ins Palladium ein, Pentin wird zu Pentan (re.). Mit weniger Wasserstoff bildet sich eine Palladium-Kohlenstoff- Schicht (blau) unter der Oberfläche (li.).

Ohne Katalysatoren läuft in der chemischen Industrie wenig. Sie unterstützen viele Reaktionen und machen manche gar erst möglich, vor allem indem sie die Bindungen in den Ausgangsmolekülen der Reaktion schwächen. Indem Chemiker einen Katalysator geschickt wählen, beeinflussen sie zudem, was bei einer Reaktion herauskommt. Also versuchen sie die Hilfsmittel so zu trimmen, dass diese zuverlässig nur eines von mehreren möglichen Produkten erzeugen. Das vereinfacht Prozesse und spart Geld. "Doch um die Katalysatoren zu optimieren, müssen wir erst verstehen, wie sie genau arbeiten und wovon der Verlauf einer Reaktion abhängt", erklärt Detre Teschner.

Mit seinen Kollegen vom Fritz-Haber-Institut in Berlin hat der Forscher herausgefunden, dass das Ergebnis einer Reaktion, die auf der Oberfläche eines Katalysators abläuft, auch von den Vorgängen unter der Oberfläche abhängt. Festgestellt haben sie das bei einer Hydrierung an einer Palladiumoberfläche. Reaktionen dieser Art spielen in der chemischen Industrie eine große Rolle, etwa um pflanzliche Öle zu veredeln. Die Industrie nutzt dafür jedoch meistens preiswertere Katalysatoren als das Edelmetall Palladium.

Bei der Hydrierung, die die Berliner Wissenschaftler untersucht haben, heften sich Wasserstoffatome an Pentin, eine ungesättigte Kohlenwasserstoffverbindung. Ungesättigt, weil sie noch Wasserstoff aufnehmen kann - im Falle des Pentins entweder zwei oder vier Wasserstoffatome. Im ersten Fall entsteht Penten, im zweiten Pentan. Wenn die Forscher nur wenig Wasserstoff in die Reaktion schicken, verleibt sich das Pentin nur zwei Wasserstoffatome ein - was nicht sonderlich überrascht.

Ziemlich überrascht hat die Wissenschaftler hingegen, dass dafür der mangelnde Wasserstoff-Nachschub aus dem Inneren des Metalls verantwortlich ist. Die kleinen Wasserstoffatome dringen gewöhnlich leicht in das Metall ein, so dass sich immer eine erkleckliche Menge Wasserstoff in dem Metall löst, sobald beide Kontakt zueinander haben. Im Inneren bilden sie so ein Reservoir, aus dem ständig Wasserstoff an die Oberfläche strömt, der viel reaktiver ist als jener auf dem Metall.

Doch wenn nur wenig Wasserstoff an der Reaktion teilnimmt, bildet sich unter der Oberfläche des Katalysators eine Palladium-Kohlenstoff-Schicht. Diese wirkt wie eine Barriere und verhindert, dass das Metall Wasserstoff aufnimmt. An der Reaktion kann also auch kein reaktiver Wasserstoff aus dem Inneren des Metalls teilnehmen. Dass solche Vorgänge hinter den Kulissen über die Handlung auf der chemischen Bühne entscheiden, hat bislang noch niemand beobachtet. "Wir müssen beim rationalen Design von Katalysatoren also künftig auch die Prozesse unter der Oberfläche berücksichtigen", sagt Teschner.

Wie sich die Palladium-Kohlenstoff-Schicht unter der Oberfläche des Katalysators genau bildet, wissen die Forscher allerdings noch nicht genau. Fest steht nur, dass der Kohlenstoff aus dem Pentin stammt. Allerdings sind die Kohlenstoffatome in dem Pentin miteinander und auch bereits mit einigen Wasserstoffatomen verbunden. Diese Bindungen löst das Palladium bei einem Teil des Pentins offenbar gleich zu Beginn der Reaktion, und der Kohlenstoff dringt ins Metall ein. Wenn jedoch zuviel Wasserstoff an dem Reaktionsgeschehen teilnimmt, schnappt er sich das Pentin, bevor der Katalysator dieses in seine Einzelteile zerlegt hat.

Peter Hergersberg (2008)

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