Die Funktion von Katalysatoren – neuer SFB an der RUB

Die Funktion von Katalysatoren nimmt ab 1. Juli 2000 der neue DFG-Sonderforschungsbereich 558 „Metall-Substrat-Wechselwirkungen in der heterogenen Katalyse“ (Sprecher: Prof. Dr. Christof Wöll, Lehrstuhl für Physikalische Chemie I) an der Fakultät für Chemie der Ruhr-Universität unter die Lupe. Denn obwohl in industrialisierten Ländern etwa 20 Prozent des Bruttosozialproduktes direkt oder indirekt mit ihrer Hilfe erwirtschaftet werden, sind viele der grundlegenden Prozesse noch nicht ganz verstanden: Was genau an der Oberfläche des Katalysators – meist eines Metalls – geschieht, wollen die Forscher nun herausfinden. Zunächst widmen sie sich der Herstellung von Methanol mit Hilfe von auf Zinkoxid aufgebrachten Kupferpartikeln. Mit diesem inzwischen 11. SFB nimmt die RUB eine Spitzenstellung in der deutschen Forschungslandschaft ein.

Termin für Wissenschaftsjournalisten Ende September

Voraussichtlich zum Ende September werden die Medien gesondert zu einem Journalistenseminar eingeladen, auf dem Projekte und Struktur des SFB in Laboren der RUB vorgestellt werden.

Nützlich nicht nur im Auto: der Katalysator

Katalysatoren sind überall: Im Alltag sind sie uns aus dem Auto bekannt, wo sie längst Pflicht sind und die Schadstoffe im Abgas verringern – und nicht nur das: Nur der Umsetzung des Erdöls mit Katalysatoren ist es zu verdanken, dass der Treibstoff für moderne Hochleistungsmotoren überhaupt geeignet ist. In der chemischen Industrie beruhen 80 Prozent der Wertschöpfung auf katalytischen Verfahren. Katalysatoren beschleunigen chemische Reaktionen, sorgen dafür, dass sie bei niedrigen Temperaturen und Drücken ablaufen können, und dass das gewünschte Produkt und weniger überflüssige Nebenprodukte entstehen. So weit, so nützlich – der Schlüssel für eine gezielte Optimierung von Katalysatoren ist aber ein genaues Verständnis ihrer Funktion. Bisher mangelt es daran, und hier setzt der Bochumer SFB an.

Was genau im Katalysator passiert

Die Chemiker erforschen die heterogene Katalyse, bei der der Katalysator als Festkörper vorliegt. An seiner Oberfläche erfolgt die Umsetzung der Ausgangsstoffe. Je nach gewünschtem Resultat werden unterschiedliche Materialien als Katalysator eingesetzt: In der Redoxchemie dominieren Metallkatalysatoren, in der Säure-Base-Chemie Zeolithe (Siedesteine) und basische Oxide, bei selektiven Oxidationen mehrkomponentige Mischoxide. Die Prozesse, die an metallischen Oberflächen ablaufen, sind der Wissenschaft am ehesten bekannt, das Wissen über Vorgänge in Zeolithen oder Übergangsmetalloxiden ist dagegen sehr gering, weil der experimentelle Zugang schwieriger ist. Dass das reine Metall eingesetzt wird, kommt außerdem selten vor; meistens werden die Eigenschaften des Metalls durch Promotoren und spezielle Träger verändert. Die Wirkungen dieser Modifizierungen auf die Aktivität des Metalls stehen im Mittelpunkt der Forschungen des neuen SFB. Für die ersten drei Jahre konzentrieren sich die Forscher besonders auf die Methanolsynthese.

Methanol als Versuchskaninchen

Methanol ist hinter Ammoniak und Schwefelsäure die dritthäufigst hergestellte Grundchemikalie, deren weltweite Produktion dieses Jahr dreißig Millionen Tonnen übersteigen wird. Zur Zeit werden ca. 15 Prozent im Treibstoff- und Energiesektor verwendet. Da Methanol ein geeigneter Treibstoff für brennstoffzellengetriebene Fahrzeuge ist, verfügt dieser Bereich für die Zukunft über das größte Wachstumspotential. Es wird mit Hilfe von Kupferpartikeln, die auf Zinkoxid aufgebracht werden, gewonnen. Kupferkatalysatoren werden ebenso wie Zinkoxid in der industriellen, organischen Chemie für Hydrier- und Dehydrierreaktionen eingesetzt. Erst die Anlagerung von Kupferpartikeln auf Zinkoxid steigert die entscheidende Aktivität des Katalysators erheblich.

Wie man Reaktionen auf die Schliche kommt

Die Bochumer Chemiker werden sich diesen Prozessen mit verschiedenen Ansätzen nähern: Zum Einen werden sie mit spektroskopischen Methoden die Reaktionen am Katalysator beobachten. Zum Anderen werden sie durch spezielle anorganische Methoden Metall-Trägersysteme herstellen, auf bekannte Festkörperoberflächen Metalldeposite aufbringen und deren chemische Aktivität charakterisieren. In Verbindung mit theoretischen, quantenchemischen Berechnungen wollen sie so zu einem detaillierten Verständnis der elektronischen und geometrischen Struktur der für die Funktion maßgeblichen Eigenschaften des Katalysators gelangen.

Weitere Informationen

Prof. Christof Wöll, Fakultät für Chemie der Ruhr-Universität, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-25529, Fax: 0234/32-14-182, Email: woell@pc.ruhr-uni-bochum.de