Science
05.05.2014

TU-Forscher enträtseln Katalysator-Reaktion

Was an der Oberfläche von Katalysatoren passiert, die Methanol in Wasserstoff und Kohlendioxid aufspalten, wird derzeit an der TU Wien untersucht.

Wenn sich Sauerstoff und Wasserstoff zu Wasser verbinden, wird Energie frei. Das nutzt man in Brennstoffzellen zur Stromproduktion. Den Wasserstoff kann man einfach in Form von Methanol speichern und bei Bedarf mit Katalysatoren wieder freisetzen. Forscher der Technischen Universität (TU) Wien untersuchen, was sich genau an der Kat-Oberfläche abspielt. Zwei von ihnen wurden nun ausgezeichnet.

Wenn mit Hilfe von Metall-Katalysatoren Methanol in Wasserstoff und Kohlendioxid (CO2) aufgespalten wird, läuft eine Kaskade an chemischen Reaktionen ab - der Prozess wird Dampfreformierung genannt. Welche Atome und Moleküle auf der Katalysator-Oberfläche dabei eine wichtige Rolle spielen, wird an der TU Wien im Rahmen des Spezialforschungsbereichs "Functional Oxide Surfaces and Interfaces" (FOXSI) untersucht, der von Günther Rupprechter vom Institut für Materialchemie geleitet wird.

Das Ziel sei, aus Methanol und Wasserdampf ein möglichst reines Gemisch von CO2 und molekularem Wasserstoff herzustellen, teilte die TU am Montag in einer Aussendung mit. Kohlenmonoxid (CO) soll darin nicht enthalten sein, weil das die Brennstoffzelle schädigt. Wie hoch die CO-Konzentration ist, hängt entscheidend von der Art des verwendeten Katalysators ab.

Metall und Metalloxid

An den komplizierten Prozessen am Katalysator, wo Nanopartikel aus Metall (z.B. Palladium) auf einer Metalloxid-Oberfläche (z.B. Zinkoxid) sitzen, sind nach Angaben der Wissenschafter unterschiedliche Atom- und Molekülsorten beteiligt. Oft sei unklar, welche davon für die Reaktion wichtig sind und welche eine untergeordnete Rolle spielen. In der Industrie versucht man laut TU, solche Prozesse durch Versuch und Irrtum anzupassen, also die Zusammensetzung der Katalysatoren oder Einstellungen wie Druck und Temperatur zu verändern.

Die Wissenschafter vom TU-Institut für Materialchemie wollen dagegen der Sache auf dem Grund gehen: Karin Föttinger untersucht mit spektroskopischen Methoden, wie die Reaktionen am Katalysator im Detail ablaufen, Christoph Rameshan trennt die einzelnen Komponenten des Katalysators und analysiert sie in Modellsystemen einzeln. So wollen sie genau verstehen, was bei den chemischen Prozessen an der Katalysator-Oberfläche alles passiert.

Die Wissenschafter fanden etwa heraus, dass sowohl die metallischen Nanopartikel als auch die Metalloxid-Oberfläche für die Katalyse zuständig sind - dies war bisher unklar. "Das Oxid ist wichtig für die Wasseraktivierung, für die Aufspaltung der Wassermoleküle. Das Metall hingegen ist wichtig für die Aufspaltung des Methanols", so Rameshan. Diese Erkenntnisse sollen nun dazu genutzt werden, die Katalysatoren zu verbessern.

Auszeichnungen

Für ihre Arbeiten erhielten die beiden Wissenschafter nun zwei Forschungspreise: Föttinger bekam Ende April den Theodor-Körner-Förderungspreis und kann damit zusätzliche Geräte für weitere Forschungen finanzieren. Rameshan wurde der "Gerhard Ertl Young Investigator Award 2014" zugesprochen, der jährlich vom Fachjournal "Surface Science" vergeben wird.