Katalysatortuning
Ein Team von Wissenschaftlern der Technischen Universität München (TUM), der Ruhr-Universität Bochum, der École normale supérieure (ENS) Lyon, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), der Universität Claude Bernard Lyon 1 (Frankreich) und der Universität Leiden (Niederlande) kann nun mithilfe eines neuen Konzepts besser verstehen, was ein aktives Zentrum ausmacht. Ihr Modell setzt die geometrischen und die Adsorptionseigenschaften miteinander in Beziehung.
Sie haben die Methode „Coordination-Activity-Plots“ getauft, weil sie die Adsorptionseigenschaften einer betrachteten Position in einen direkten Zusammenhang mit der Struktur stellt. Basis dafür ist die „Generalisierte Koordinationszahl“ (generalized coordination number, GCN). Sie zählt die direkten Nachbarn eines Atoms und die Koordinationszahlen von dessen Nachbarn.
Nach der neuen Methode berechnet besitzt eine typische Platin(111)-Oberfläche einen GCN-Wert von 7,5. Der optimale Katalysator sollte dagegen einen Wert von 8,3 erzielen, die dafür nötige größere Zahl an Nachbarn lässt sich erreichen, indem beispielsweise gezielt Defekte in die Platinoberfläche eingebaut werden.
Neuer Weg zur Katalysatorentwicklung
Um die Genauigkeit ihrer Methode zu zeigen, errechneten die Forscher am Computer einen Platinkatalysator, der eine erhöhte Anzahl solcher aktiver Zentren enthielt. Anschließend stellten sie den Modellkatalysator auf drei verschiedenen Synthesewegen her. In allen drei Fällen zeigte der Katalysator eine dreieinhalb Mal höhere katalytische Aktivität.
„Diese Arbeit eröffnet einen völlig neuen Weg für die Katalysatorentwicklung: die Gestaltung von Materialien auf Basis geometrischer Grundprinzipien, die aufschlussreicher sind als die energetische Betrachtung", sagt Federico Calle-Vallejo. „Ein weiterer Vorteil der Methode ist, dass sie anschaulich auf einem der grundlegenden Prinzipien der Chemie aufbaut, dem der Koordinationszahl. Dies ist eine erhebliche Erleichterung für die computergestützte Katalysatorentwicklung.“