Elementarschritte bei der heterogenen Katalyse

Abstract

Trotz der enormen praktischen Bedeutung der heterogenen Katalyse blieb die Forschung auf diesem Gebiet lange Zeit stark von der Empirie geprägt. Dank der rapiden Entwicklung oberflächenphysikalischer Methoden lassen sich aber nunmehr die Elementarschritte im atomaren Bereich erfassen und ihre zugrundeliegenden Prinzipien verstehen. Nach der Analyse der Oberfläche eines technischen Katalysators werden definierte Einkristall‐Oberflächen als Modellsysteme eingesetzt. Mit dem Rastertunnelmikroskop ist eine direkte Abbildung der Oberflächen mit atomarer Auflösung möglich; elektronenspektroskopische Methoden liefern detaillierte Informationen über die Bindungszustände der adsorbierten Teilchen und ihre Beeinflussung durch Katalysator‐Zusätze (Promotoren). Die erfolgreiche Anwendung dieser Strategie soll anhand der Aufklärung des Mechanismus der Ammoniak‐Synthese illustriert werden. Katalytische Reaktionen in einem Strömungsreaktor sind offene Systeme fernab vom Gleichgewicht und können daher zu räumlicher und zeitlicher Selbstorganisation führen. In diesem Fall ist der Reaktionsumsatz trotz konstanter Bedingungen nicht notwendigerweise stationär, sondern kann sich periodisch bis hin zu chaotischem Verhalten verändern, wobei es zur Musterbildung auf der Oberfläche kommt. Einkristall‐Oberflächen als Modellsysteme , das Rastertunnelmikroskop sowie elektronenspektroskopische Methoden ermöglichen eine Analyse der Elementarschritte bei der heterogenen Katalyse. Wie erfolgreich dieses Verfahren trotz der großen Unterschiede in den experimentellen Bedingungen sein kann, zeigt dieser Beitrag an der katalytischen Ammoniak‐Synthese. Aufgrund derartiger Modellstudien berechnete und industriell erhaltene NH 3 ‐Ausbeuten korrelieren ausgezeichnet (siehe Diagramm). magnified image