Das Bild zeigt eine experimentelle Vorrichtung, die von Aluminiumfolie umgeben und von innen beleuchtet ist.

Nachhaltige Katalyse durch Röntgenstrahlung

Verbundforschung gefördert durch das BMBF
Zeitaufgelöste Röntgenemissionsspektroskopie bei hohen Energien mit einem neuen Laue-Spektrometer als Beitrag zur Lösung des Energieproblems

Wasserstoff wird als Energieträger für Brennstoffzellen in einer katalytischen Reaktion aus Wasser gewonnen. Dieses Projekt schafft mit einer vielseitigen und innovativen Instrumentierung an der Synchrotronlichtquelle PETRA III einen Beitrag zur Lösung des Energieproblems. Die Untersuchung katalytischer Reaktionen soll zu einem verbesserten Verständnis ihrer Wirkungsweise und zu effizienteren Verfahren mit Potenzial zur kommerziellen Nutzung führen.

Im Rahmen des deutsch-schwedischen Röntgen-Ångström-Clusters – in dem sich Forschergruppen aus Deutschland mit Kollegen aus Schweden zu Verbundprojekten zusammengefunden haben – fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung den deutschen Projektpartner im Zeitraum von Juli 2016 bis Juni 2019 mit fast 600 000 Euro.

Fördersumme: 598 649 €

Förderzeitraum: 01.07.2016 bis 30.06.2019

Förderkennzeichen: 05K16PP1

Beteiligte Institutionen: Universität Paderborn

Katalytische Prozesse, die eine chemische Reaktion schneller oder überhaupt erst ablaufen lassen, spielen eine wichtige Rolle in unserem Alltag. Im Rahmen des deutsch-schwedischen Röntgen-Ångström-Clusters wollen zwei Forschergruppen der Universität Paderborn und der Universität Göteborg umweltfreundliche und kostengünstige Katalyseprozesse entwickeln.

In Verbrennungsmotoren von Autos entstehen viele Schadstoffe wie beispielsweise giftiges Kohlenstoffmonoxid. Seit 1993 sind in Deutschland deshalb nur noch Neuwagen mit eingebautem Katalysator zugelassen. Unter anderem wird darin Kohlenstoffmonoxid durch eine chemische Reaktion in ungiftiges Kohlenstoffdioxid umgewandelt. Edelmetalle wie Palladium und Platin wirken dabei als Katalysezentren: Solche Stoffe sorgen dafür, dass eine bestimmte chemische Reaktion – wie etwa die Umwandlung von Kohlenstoffmonoxid in Kohlenstoffdioxid – ermöglicht wird oder schneller abläuft.

„Ein geeigneter Katalysator soll einen hohen Umsatz zeigen und wenig Nebenprodukte erzeugen“, so Matthias Bauer von der Universität Paderborn. Hoher Umsatz bedeutet, dass möglichst viele der anfangs vorliegenden Moleküle zum gewünschten Endprodukt reagieren. Bei solchen chemischen Reaktionen können unerwünschte Verbindungen entstehen, die durch gute Katalysatoren aber minimiert werden. Je nach Anwendung, ob im Auto oder in der chemischen Industrie, stellen Wissenschaftler gezielt Katalysatoren her.

In vielen Fällen kommen dabei katalytisch wirkende Metalle wie etwa Platin zum Einsatz, die aufgrund ihres geringen Vorkommens auf der Erde sehr teuer sind. Andere können sehr umweltschädlich oder giftig für den Menschen sein. Daher arbeiten viele Forschergruppen weltweit daran, kostengünstigere und umweltfreundliche Katalysatoren zu entwickeln. Dazu gehören auch zwei Teams um Matthias Bauer und Per-Anders Carlsson von der Universität Göteborg in Schweden, die unterstützt vom Bundesforschungsministerium an verschiedenen Ansätzen forschen.

Wasserspaltung auf Eisenbasis

Das Bild zeigt den schamtischen Aufbau des Spektrometers. Auf zwei Armen können die Röntgenlicht-Detektoren verschoben werden.
Aufbau des Spektrometers

Bauer und seine Kollegen konzentrieren sich auf die Umwandlung von Wasser zu Sauerstoff und Wasserstoff mithilfe von Sonnenlicht. Dafür wollen sie Katalysatoren auf Eisenbasis verwenden. Denn Eisen ist auf der Erde nicht nur in großer Menge verfügbar und dadurch sehr günstig, dieses Element ist auch ungiftig für den menschlichen Organismus. Zuerst müssen die Wissenschaftler aber verstehen, wie solche neuartigen Katalysatoren grundlegend wirken: Sie möchten experimentell überprüfen, wie sich das Material vor, während und nach einer Reaktion verhält und wie sich die reagierenden Moleküle am Katalysator umwandeln.

Dafür wollen die beiden Teams die neu entwickelten Katalysatoren mit der sogenannten Röntgenabsorptions- und Röntgenemissionsspektroskopie untersuchen, die Rückschlüsse auf die molekulare Struktur der verwendeten Stoffe ermöglichen. Dabei wird Röntgenlicht auf die Probe gestrahlt, wodurch verschiedene Elektronen in den Katalysezentren angeregt werden. Abhängig von der Atomzusammensetzung des Metalls entsteht ein charakteristisches Absorptions- beziehungsweise Emissionssignal, das die Wissenschaftler mit einem sogenannten Spektrometer analysieren, welches das Licht in seine einzelnen Spektralfarben zerlegt.

Mit gängigen Spektrometern lassen sich bisher nicht gleichzeitig mehrere Metalle untersuchen, doch die geplanten Katalysatoren sind meist aus mindestens zwei Metallen zusammengesetzt. Bauer und sein Team entwickelten daher ein neues Spektrometer für ihre Experimente, das auf der Funktionsweise bisheriger Instrumente aufbaut. Ihr Prototyp soll innerhalb der nächsten Monate zu einer endgültigen Version ausgebaut werden. „Da war sehr viel Ingenieursarbeit neben der naturwissenschaftlichen Arbeit notwendig“, erklärt Bauer. Die Messungen sollen an Großgeräten wie der Synchrotronstrahlungsquelle PETRA III und dem Freie-Elektronen-Laser European XFEL am Forschungszentrum DESY im Hamburg durchgeführt werden. Die extrem intensiven und gebündelten Röntgenstrahlen an diesen Einrichtungen ermöglichen die gewünschte Auflösung der winzigen Strukturen.

Molekulare Filme mit Röntgenstrahlung

Das Bild zeigt einen Teil der Beschleunigeranalge des Freie-Elektronen-Lasers European XFEL.
European XFEL

Ein weiteres Ziel von Bauer und seinen Kollegen sind kurze Filme von der sich ändernden molekularen Struktur während der Katalyse: Mit Röntgenpulsen, die in kurzen Zeitabständen auf den Katalysator treffen, lässt sich der Reaktionsverlauf in Echtzeit beobachten. Der European XFEL liefert beispielsweise Röntgenlaserpulse in so kurzen Abständen, dass die Forscher die Reaktionen bis hin zu Femtosekunden – also dem Millionstel einer milliardstel Sekunde – genau auflösen können. Basierend auf diesem Wissen lassen sich dann gezielt effiziente Katalysatoren planen und entwickeln. „Dies ermöglicht ein rationales Design von aktiven Katalysatoren. Nachdem wir eine Probe hergestellt haben, können wir diese untersuchen und mit den sich daraus ergebenden Ergebnissen weiter verbessern“, so Bauer.

Die Ziele des Verbundprojekts sind komplementär aufgebaut, sodass beide Forschergruppen von ihrem gegenseitigen Wissen profitieren. Während sich Matthias Bauer und seine Kollegen mit der Erzeugung von Sauerstoff und Wasserstoff beschäftigen, untersucht das Team um Carlsson die Treibstoffherstellung aus Biomasse, also aus nachwachsenden Rohstoffen. So wollen die Forscher beispielsweise Methanol aus Pflanzen herstellen. Außerdem prüfen sie, wie sich klimaschädliches Kohlenstoffdioxid in Treibstoffe umwandeln ließe. Dafür wollen die Forscher aus Schweden den an der Universität Paderborn katalysierten Sauerstoff weiterverwenden – neben dem gemeinsam genutzten Spektrometer ein weiteres Beispiel dafür, wie die beiden Teilprojekte ineinandergreifen.