Neue Röntgentechnik zeigt Weg zu besseren Katalysatoren

Mit einer neuen Röntgentechnik lässt sich die atomare Struktur von Oberflächen deutlich schneller bestimmen als bisher, sodass Aufnahmen von Oberflächenreaktionen wie Katalyse, Korrosion und Wachstumsprozessen mit einer Zeitauflösung von weniger als einer Sekunde möglich werden. Mit dem neuen Verfahren ließen sich beispielsweise bessere Katalysatoren entwickeln oder Materialien auf atomarer Ebene konstruieren, so die Wissenschaftler um Johan Gustafson von der Universität Lund im Fachjournal „Science“.

Treffen Röntgenstrahlen auf eine feste Oberfläche, werden sie in charakteristischer Weise gebeugt. Das resultierende Beugungsmuster verrät die atomare Struktur der Oberfläche. Bei konventionellen Röntgenstreuexperimenten mit niedrigerer Energie müssen die Probe und der Detektor gedreht werden, um das gesamte Beugungsmuster sorgfältig Schritt für Schritt abzutasten – eine Prozedur, die in der Regel mehrere Stunden in Anspruch nimmt.

Dunkle Fläche mit einigen hell leuchtenden vertikalen, sowie zu Halbkreisen gebogenen Linien. Dunkle Rechtecke überlagern einige hell leuchtende Flecken.
Röntgenstreubild der Katalysatoroberfläche

Die energiereiche Strahlung der Röntgenquelle PETRA III am Forschungszentrum DESY in Hamburg streut dagegen in einen sehr kleinen Winkelbereich. Das deutlich kompaktere Beugungsmuster lässt sich mithilfe eines Hochleistungsflächendetektors in einer einzigen Aufnahme bestimmen. Auf diese Weise können die Forscher die komplette Oberflächenstruktur in weniger als zehn Minuten aufnehmen oder individuelle Strukturmerkmale mit einer zeitlichen Auflösung von weniger als einer Sekunde beobachten. „Außerdem erlaubt uns dies, unbekannte oder unerwartete Strukturen leichter zu identifizieren“, so Koautor Andreas Stierle vom Forschungszentrum DESY.

Andere existierende Verfahren müssen außerdem oft im Hochvakuum stattfinden, was beispielsweise ein Reaktionsgas in der Probenkammer weitgehend ausschließt und damit auch die Beobachtung von Reaktionen der Oberfläche mit Gasen bei annähernd atmosphärischem Druck. Für ihre Untersuchungen installierte die Gruppe um Gustafson eine Probenkammer, in der ein Reaktionsgasdruck von bis zu einem Bar – das entspricht dem normalen Luftdruck – herrschen darf, um realistischen Reaktionsbedingungen nahezukommen.

Zum Test ihres neuen Ansatzes beobachteten die Wissenschaftler die Umwandlung von giftigem Kohlenmonoxid in unbedenkliches Kohlendioxid durch einen Palladiumkatalysator. Sie montierten dazu einen Palladiumkristall in der Probenkammer und leiteten eine Mischung aus Kohlenmonoxid, Sauerstoff und Argon hinein. Per Röntgenanalyse konnten sie verfolgen, wie das Palladium in dem Moment aktiv wurde als der Sauerstoff in die Kammer floss. "Wir können zusehen, wie der Katalysator vom nicht reaktiven in den reaktiven Zustand umschaltet", berichtet Stierle. Die neue Messmethode könnte eine Vielzahl von Anwendungen in der Materialforschung haben. Die Wissenschaftler erwarten etwa neue Einblicke in die Kinetik von Oberflächenprozessen, wodurch sich beispielweise Katalysatoren optimieren oder neue Materialien entwickeln ließen.