Schon ein einziges fehlendes Sauerstoffatom in der Oxidoberfläche macht Zinkoxid zu einem Katalysator für die Methanolsynthese. Eine perfekte Oberfläche ist dagegen vollkommen inaktiv; erst an dieser "Lücke" entsteht ein reaktives Zentrum. Das haben Wissenschaftler der Universität Bochum jetzt nachgewiesen.
Die großtechnische Umwandlung von chemischen Stoffen mittels Katalyse spielt eine immer größere Rolle in der industriellen Wertschöpfungskette. "Heterogene Katalysatoren dienen dabei sowohl zur Vernichtung unerwünschter Substanzen wie Kohlenmonoxid im PKW-Kat als auch zur Erzeugung von Wertstoffen, zum Beispiel Methanol für Brennstoffzellen", erklärt der Sprecher des Sonderforschungsbereichs, Professor Christof Wöll.
Für viele dieser Prozesse sind Metalloxide von wesentlicher Bedeutung. Die genaue Erforschung der Reaktionsmechanismen an diesen Materialien war bislang dadurch erschwert, dass einerseits zum Beispiel für die Methanolsynthese perfekte Zinkoxid-Oberflächen fast völlig inaktiv sind, dass andererseits die leistungsfähigsten Untersuchungsmethoden aber hochgeordnete Materialien benötigen.
Im Rahmen der Arbeiten des Sonderforschungsbereichs "Metall-Substrat- Wechselwirkungen in der heterogenen Katalyse" (SFB 558) an der Ruhr- Universität ist es nun erstmals gelungen, den Mechanismus der Umwandlung von Kohlenmonoxid in Methanol mittels Zinkoxid aufzuklären.
Die Forscher bedienten sich dafür einer Kombination von Experiment und Theorie. Grundlage dafür waren hochgenaue Messungen an Zinkoxidpulvern mit speziell optimierten Testapparaturen und parallel dazu die Modellierung einer Defektstelle mit modernen quantenchemischen Methoden. "Es zeigte sich, dass durch Entfernen eines einzelnen Sauerstoffatoms aus der Oxidoberfläche ein reaktives Zentrum entsteht, das die erforderliche Aktivität aufweist und die gemessenen Daten sehr gut erklären kann", fasst Wöll zusammen. Die Rechnungen zeigten auch eindeutig, dass die perfekte Oberfläche völlig inaktiv ist.
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