Das Geheimnis des Katalysators
Seit rund 100 Jahren wird die Suche nach geeigneten Katalysatoren immer noch im wesentlichen vom Zufall bestimmt Das soll sich ändern. Durch Aufklärung der Reaktionsmechanismen sollen sich Katalysatoren bald maßschneidern lassen.
Ohne sie läuft buchstäblich nichts ab: Katalytische Substanzen machen Lebensvorgänge überhaupt erst möglich, technische Prozesse erst wirtschaftlich. Allein in der chemischen Industrie beruhen 80 % bis 90 % der Wertschöpfung auf katalytischen Verfahren. Schlüsselbranchen sind die Mineralölwirtschaft, der Pharmasektor und die Chemieindustrie. Das Geschäft mit Katalysatoren boomt, die Umsätze allein auf dem europäischen Markt werden in diesem Jahr auf rund 4 Mrd. DM klettern, schätzt die Bayer AG.
Mit Hilfe der Reaktionsbeschleuniger überlisten Wissenschaftler die Natur. Katalysatoren räumen „Energie-Hindernisse“ aus dem Weg und bringen Moleküle dazu, Reaktionswege einzuschlagen, die sie aus eigenem Antrieb heraus nicht nehmen würden. Dabei gehen sie selbst unverbraucht aus der Reaktion hervor. Das ist schon erstaunlich genug. Noch merkwürdiger mutet an, dass bis heute Katalysatormaterialien immer noch wie zu Zeiten von Fritz Haber durch langwieriges Herumprobieren gefunden werden. Der Chemiker wurde 1918 mit dem Nobelpreis für die Entdeckung der Ammoniaksynthese ausgezeichnet. Zuvor hatte sein Mitarbeiter Alwin Mittasch in den BASF-Laboratorien in 20 000 Versuchen rund 3000 verschiedene Stoffe ausgetestet, bis er auf Eisen als den besten Katalysator stieß. Nach dem Verfahren wird noch heute Dünger aus Luftstickstoff gewonnen.
„Wir wollen in einem systematischen Ansatz herausfinden, warum bestimmte Materialien katalytisch aktiver sind als andere und wie sich Katalysatoren am wirksamsten und kostengünstigsten einsetzen lassen“, beschreibt Christof Wöll, Professor für physikalische Chemie an der Ruhr-Universität Bochum sein Ziel. Dafür hat ihm jetzt die Deutsche Forschungsgemeinschaft für die kommenden drei Jahre knapp 4 Mio. DM in einem neuen Sonderforschungsbereich zur Verfügung gestellt.
Am Beispiel der Methanolsynthese, der Grundlage für zahlreiche industrielle Produkte wie Lösungs- und Frostschutzmittel oder Kraftstoffzusätze, will Wöll den molekularen katalytischen Abläufen auf ihren tieferen Grund gehen. Wie und warum schafft es ein bestimmter Stoff durch seine bloße Anwesenheit, dass eine chemische Reaktion einen ganz bestimmten Weg einschlägt, auch wenn es mehrere Alternativen gibt? Werden etwa Kohlenmonoxid und Wasserstoff zusammengebracht, entstehen je nach Katalysator völlig verschiedene Produkte. Mit Nickel erhält man Methan. Eisen und Kobalt als Katalysator liefern eine Gemisch aus gesättigten Kohlenwasserstoffen. Fügt man jedoch zu den Ausgangsstoffen Zink- und Chromoxid hinzu, entsteht Methanol.
Könnte man die Reaktionen, die in weniger als einer zehntausendstel Sekunde ablaufen, im Zeitlupentempo beobachten, würde offenbar, dass es sich nicht um eine direkte Umwandlung handelt. Tatsächlich verursacht die Anwesenheit des Katalysators ein kompliziertes Spiel von molekularen und atomaren Austauschvorgängen und Wechselwirkungen, was sich in einer Kette von Reaktionsschritten niederschlägt. Die Einzelschritte sind gewissermaßen Momentaufnahmen der Vorgänge auf nanoskopischer Ebene. „Wollen wir verstehen, wie ein Katalysator wirkt und warum er ein Material besser als ein anderes umsetzt, müssen wir die Reaktionsschritte zunächst experimentell nachstellen, um den gesamten Ablauf später im Computer simulieren und dann vorhersagen zu können“, erläutert Wöll. Elektronenmikroskopische Techniken dienen den Forschern dabei als Sonden, um im Nanometerbereich das flüchtige Wechselspiel zwischen den Bindungen, den schnellen Tausch von Elektronen und das neue Anordnen von Atomen, durch das sich plötzlich eine energetisch günstigere Konstellation ergeben kann, erkennbar werden zu lassen.
Die Vorgänge auf der Katalysatoroberflächen sind mit einem molekularen Ballett vergleichbar, bei dem der Katalysator die Rolle des Choreographen übernommen hat. Er gibt die Richtung vor. Dabei spielen Beschaffenheit des Katalysators und Größe der wirksamen Oberfläche eine wichtige Rolle. Unter dem Elektronenmikroskop zeigen sich die meist pulvergepressten Katalysatoren aus etwa 10 nm großen Partikeln aufgebaut. Für die Reaktion stehen so mehrere m2 Fläche pro g Katalysator zur Verfügung.
An den Kristalloberflächen der Nano- partikel spielen sich die katalytischen Elementarschritte ab. Auftreffende Moleküle koppeln an, Bindungen brechen auf und neue Partnerschaften werden eingegangen. Doch nur für einen kurzen Augenblick, dann wechseln die beweglichen Partner ihre Plätze, bilden an der Katalysatoroberfläche wiederum neue Bindungen aus. Dabei zeigt sich, das auch räumliche Defekte im Kristallgitter einen wichtigen Einfluss auf die Reaktivität haben. Stufen, an denen eine weitere Atomlage auf die ursprüngliche Schicht gepackt ist, besitzen eine erhöhte katalytische Aktivität, weil hier eine dichtere Beladung der Oberfläche mit Reaktionspartnern möglich ist.
Christof Wöll ist zuversichtlich, dass sich aus der Analyse aller Details genaue Rückschlüsse auf die Funktionsweise von Katalysatoren ziehen lassen: „Wir werden dann wissen, wie ein idealer Katalysator auszusehen hat.“ Ergebnisse, die vor allem die Industrie interessieren dürften. Für sie kann sich bereits 1 % mehr Wirkungsgrad beim Katalysator in einer Wertschöpfung niederschlagen, die sich bei Hightech-Werkstoffen durchaus im sechsstelligen Bereich bewegen kann. S. VON DER WEIDEN
Katalysatorforschung
Katalysatoren am laufenden Band
Die bei der Suche nach pharmazeutischen Wirkstoffen erprobte Kombinatorik hält Einzug in die Katalyseforschung: Automaten bringen dabei eine überschaubare Vielfalt chemischer Grundbausteine in immer neuen strukturellen Varianten zusammen. Diese reagieren in unterschiedlichen Kombinationen miteinander. Die Suche nach neuen Katalysatoren ist so zwar zeitsparend. Allerdings wird sie damit nicht einfacher, weil die dabei entstehenden Verbindungen jeweils erst auf ihre Wirkung getestet werden müssen. svdw
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