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Kohlenstoffmonoxidmoleküle reagieren mit der Oberfläche eines Katalysators

Ein Katalysator in Aktion

Mit dem derzeit weltstärksten Röntgenlaser ist es Forschern gelungen, einen Katalysator in Aktion zu beobachten. Damit wiesen sie erstmals direkt einen Übergangszustand nach, in dem die Moleküle kurzzeitig über dem Katalysator schweben, bevor sie endgültig davonfliegen.

Oberflächenchemie 15.03.2013

Die Untersuchung zeigt neue Details der chemischen Reaktion und eröffnet laut den Forschern um Martina Dell'Angela und Wilfried Wurth von der Advanced Study Group der Universität Hamburg im Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) die Möglichkeit, diese ultraschnellen Vorgänge live zu verfolgen. Die Methode könnte zu einer Verbesserung von Katalysatoren führen.

Moleküle im Schwebezustand

Die Studie in "Science":

"Real-Time Observation of Surface Bond Breaking with an X-ray Laser" von M. Dell’Angela et al., erschienen am 14. März 2013.

Katalysatoren sind Stoffe, die eine chemische Reaktion beschleunigen oder überhaupt erst ermöglichen, selbst dabei jedoch unverändert bleiben. Sie sind in zahlreichen industriellen Prozessen unverzichtbar, von der Umwelttechnik, über die Herstellung von Kraftstoffen bis zur Produktion von Dünger für die Landwirtschaft. Das wohl bekannteste Beispiel ist der Abgaskatalysator im Auto: Er besteht unter anderem aus dem Edelmetall Platin, das auf seiner Oberfläche die Umwandlung von Kohlenmonoxid (CO) in Kohlendioxid (CO2) ermöglicht.

Die Forscher untersuchten am Röntgenlaser LCLS (Linac Coherent Light Source) des US-Beschleunigerzentrums SLAC in Kalifornien die Anlagerung von Kohlenmonoxid an eine Katalysatoroberfläche aus dem Metall Ruthenium. Dabei konnten sie verfolgen, wie sich die Kohlenmonoxidmoleküle von der Rutheniumoberfläche lösen.

"Das Molekül fliegt nicht einfach davon. Es verharrt einen Moment in einem schwach gebundenen Übergangszustand über der Oberfläche, in dem es immer noch mit ihr wechselwirken kann", so Erstautorin Dell´Angela. "Das ist beispielsweise wichtig, um zu verstehen, wie neue Moleküle einen Platz auf einer bereits fast voll besetzten Katalysatoroberfläche finden können."

Reaktionen in Echtzeit

Der kurzlebige Übergangszustand, der bereits vor mehr als einem halben Jahrhundert von dem Nobelpreisträger Irving Langmuir postuliert worden war, konnte nun erstmals im Detail beobachtet werden. Die Forscher stellten außerdem fest, dass überraschend viele Moleküle für unerwartet lange Zeit in diesem Zustand verharren.

Obwohl bis zur Verfolgung einer vollständigen katalytischen Reaktion auf einem großtechnisch verwendeten Katalysator mit einem Röntgenlaser noch experimentelle Entwicklungsarbeit nötig ist, ist die Beobachtung der Kohlenmonoxid-Desorption an Ruthenium den Forschern zufolge ein wichtiger erster Schritt in die Erkundung der ultraschnellen Dynamik von Oberflächenreaktionen. "Wir haben mit dieser Untersuchung gezeigt, dass die Beobachtung dieser Prozesse mit Röntgenlasern möglich ist", betont Wurth. "Das eröffnet auch die Möglichkeit, wesentlich komplexere Reaktionen zu untersuchen."

Die Forscher gehen davon aus, dass solche Untersuchungen zahlreiche Überraschungen zutage fördern. "Eine Reaktion wie diese in Echtzeit zu beobachten, ist der Traum eines Chemikers", so Koautor Anders Nilsson von der Stanford University. "Es ist wirklich ein Sprung ins Unbekannte."

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