Neues Messprinzip für chemische Katalyse

Reaktionsabläufe so genau wie nie zuvor bewertet

21.12.2018 - Deutschland

Forschern der Universität Leipzig ist die Entwicklung eines neuen Messprinzips für die chemische Katalyse gelungen. Es erlaubt, Reaktionsabläufe mit einer noch nie dagewesenen Genauigkeit und Verlässlichkeit zu bewerten. Dies ist eine wesentliche Voraussetzung für die Optimierung dieses chemischen Vorgangs im Hinblick auf Energieeffizienz und Umweltverträglichkeit. „Von unserem Messprinzip könnten revolutionierende Neuerungen auf dem Gebiet der Katalyse ausgehen“, sagt Physiker Prof. Dr. Jörg Kärger, der das Verfahren gemeinsam mit Chemiker Prof. Dr. Roger Gläser und anderen Wissenschaftlern der Universität Leipzig entwickelt hat.

Die Forscher haben ihre Forschungsergebnisse kürzlich in der Onlineausgabe des Fachjournals „ChemCatChem“ veröffentlicht. In der gedruckten Weihnachtsausgabe des Journals erscheint der Beitrag als Cover-Artikel. Darin beschreiben die Forscher einen neuen Zugang zur Bestimmung des Porennutzungsgrades während der Katalyse. Mit diesem Verfahren lässt sich bei laufender Reaktion der Porennutzungsgrad als wichtige Kenngröße ihrer Effizienz „mit einem Schuss“ direkt bestimmen. Durch den gezielten Einsatz von Katalysatoren erschließen sich vielfältige Möglichkeiten zur Entwicklung ressourcenschonender und energieeffizienter Verfahren zur Stoffveredlung. Die Katalyse zählt zu den wesentlichen Pfeilern im Forschungsprofilbereich „Nachhaltige Systeme und Biodiversität“ innerhalb des strategischen Forschungsfelds „Nachhaltige Grundlagen für Leben und Gesellschaft“ der Universität Leipzig.

„Ein aktuelles Thema ist in diesem Zusammenhang die Herstellung transportoptimierter Katalysatoren. Das sind häufig nanoporöse Festkörper, an deren möglichst großer innerer Oberfläche die katalytische Reaktion abläuft“, erläutert Gläser. Auf diese Weise sollen möglichst viele Moleküle mit der aktiven Oberfläche in Kontakt kommen, damit in einer bestimmten Zeiteinheit möglichst viele der erwünschten Produktmoleküle gebildet werden können. Damit dies auch möglich ist, müssen die gebildeten Produktmoleküle – im Ergebnis ihrer Zufallsbewegung durch ihre Wärmeenergie – hinreichend schnell durch „frische“ Moleküle ersetzt werden. Der Anteil dieser frischen Moleküle an der Gesamtfüllung der Katalysatorporen, der als Porennutzungsgrad bezeichnet wird, stellt damit ein unmittelbares Maß für die Effizienz eines Katalysators dar. „Seit seiner Einführung vor einem Jahrhundert ist die Bestimmung des Porennutzungsgrades eine große Herausforderung für die Forschung“, berichtet Kärger.

Von Wilhelm Ostwald, einem der prominentesten Forscher der Universität Leipzig und der Sächsischen Akademie der Wissenschaften um die Wende vom 19. zum 20. Jahrhundert, stammt die Definition, dass „Katalyse … die Beschleunigung eines … chemischen Vorgangs durch die Gegenwart eines fremden Stoffes“ ist, wobei dieser Stoff, der „Katalysator,… die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion erhöht, ohne selbst dabei verbraucht zu werden“. Für seine Arbeiten zur Katalyse wurde Ostwald 1909 mit dem Nobelpreis geehrt.