Dynamik von Cluster-Katalysatoren unter Reaktionsbedingungen

Katalysatoren sind Substanzen, die den Ablauf einer bestimmten chemischen Reaktion einfacher machen, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Das kann zum Beispiel bedeuten, dass ein industrieller Prozess bei niedrigerer Temperatur abläuft und deshalb weniger Energie verbraucht. In anderen Fällen können Chemikalien ohne Katalysator gar nicht hergestellt werden. Neue Katalysatoren zu entwerfen hat enormes Potenzial, den Energieverbrauch der Welt zu reduzieren und neue technische Entwicklungen zu ermöglichen. Allerdings ist das Problem, dass wir oft nicht gut genug verstehen, wie Katalysatoren tatsächlich funktionieren, um sie zu verbessern. Wir wissen mittlerweile, dass ein Katalysator typischerweise sehr anders aussieht als sein Normalzustand, wenn er gerade an einer Reaktion beteiligt ist: Er kann seine Form und chemische Zusammensetzung ständig verändern, und das ist ein wichtiger Teil seiner Funktionsweise. Diesen aktiven Zustand zu verstehen ist essenziell, um neue und bessere Katalysatoren entwerfen zu können. In meinem Projekt werde ich eine spezielle Klasse von Katalysatoren erforschen, die aus kleinen Clustern aus nur wenigen Metallatomen bestehen, die wiederum auf einem billigen Trägermaterial sitzen. Interessanterweise stellt sich heraus, dass dieses Trägermaterial ebenfalls eine wichtige Rolle in der Aktivität des Katalysators spielt, und ein Teil des Projektes ist, diese Interaktion zu erforschen. Weil echte Katalysatoren so komplex und schwer zu verstehen sind, ist der Plan, Modellsysteme zu nutzen: Angefangen auf einem höchst geordneten Träger (einem Einkristall) ist es möglich, ganz genau zu wissen wo jedes einzelne Atom ist. Dann werde ich eine größenselektive Clusterquelle nutzen, die wiederum sehr hohe Kontrolle darüber erlaubt, was auf diese Oberfläche kommt zum Beispiel lauter Cluster, die alle aus exakt sieben Platin-Atomen bestehen. Solche extrem wohldefinierten Systeme machen es später einfacher, zu interpretieren, was genau während einer Reaktion passiert. Um sich die Cluster unter den für uns interessanten Bedingungen anzusehen, werde ich ein spezielles Rastertunnelmikroskop benutzen, mit dem man einzelne Atome abbilden kann, während man einen niedrigen Druck eines Reaktionsgasgemischs hinzufügt und die Probe aufheizt. Solche Bedingungen sind immer noch milder als für einen echten Katalysator typisch, aber genug, um schon Dynamiken beobachten zu können. Mit diesen Werkzeugen werde ich zunächst bestimmen, was für Gasmischungen und Temperaturen am interessantesten sind. Sobald das klar wird, kann ich die gleichen Proben in einem Mikroreaktor wesentlich höherem Druck aussetzen, wo ich auch Reaktionsprodukte messen kann. Abwechselnd mit dem Mikroskop, dem Reaktor, und zusätzlichen spektroskopischen Experimenten zu arbeiten wird es mir ermöglichen zu bestimmen, was genau mit den Clustern passiert, während sie eine Reaktion katalysieren und wie genau dieser Katalysator eigentlich funktioniert.