Nanomaterialbasierte Katalyse
Die Suche nach neuen nanostrukturierten katalytischen Materialien und Verbesserungen bestehender Materialien ist zu einem Großteil von kostspieligen Versuch-und-Irrtum-Experimenten abhängig gewesen. Folglich werden Katalysatoren häufig ausschließlich im Hinblick auf die Reaktivität, Selektivität und Stabilität beschrieben. Über die Strukturen auf atomarer Ebene oder die Funktionsweise von Katalysatoren ist wenig bekannt. Das EU-finanzierte Projekt NANO-DESIGN (Computation-driven rational design of MoSx-based desulphurization nanocatalysts) zielte darauf ab, diese Lücke über die Entwicklung leistungsstarker Instrumente zur Beschreibung von Katalysatoren zu schließen. Zur Untersuchung der Katalyse auf fundamentaler Ebene setzten die Forscher auf eine hochmoderne Rechenmethodik, die auf der Funktionaldichtetheorie (Density Functional Theory, DFT) basiert. Rechenmodelle, die heterogene Molybdänsulfid (MoSx)-Katalysatoren abbilden, wurden entwickelt und optimiert. Zu allen Modellen wurden Bilder einer Rastertunnelmikroskopie (Synthetic Scanning Tunnelling Microscopy, STM) erstellt und für ausgewählte Modelle wurden die Bindungsenergien der inneren Elektronen berechnet. Das NANO-DESIGN-Team nutzte diese Daten, um experimentelle Daten von STMs und Röntgenphotoelektronenspektroskopien (X-ray photoemission spectroscopy, XPS) zu katalytischen Systemen in einem neuen Licht zu betrachten. Die Forscher stellten fest, dass aktive Stellen an den Rändern von geschichtetem MoSx für das Verständnis und die Optimierung heterogener Katalysatoren von entscheidender Bedeutung sind. Darüber hinaus muss deren Evolution sorgfältig über XPS-Experimente überwacht werden, die unter realistischen Bedingungen durchgeführt werden. Die Projektmitglieder beurteilten mithilfe von DFT-Berechnungen die Tauglichkeit von MoSx-Katalysatoren für die Rauchgasentschwefelung. Die MoSx-Nanopartikel wiesen an den Randstellen nicht konforme chemische Eigenschaften auf, wobei sich deren Reaktivität mit der Entfernung zu den Eckstellen von Nanopartikeln veränderte. Die NANO-DESIGN-Erkenntnisse verdeutlichen die Bedeutung aktiver Stellen für die Leistung MoSx-basierter Katalysatoren und den Bedarf für explizite Nanopartikelmodelle bei Katalysesimulationen. Noch wichtiger ist, dass die neuen Instrumente bezüglich der Katalysatorbeschreibung versprechen, den Weg für ein rationaleres Katalysatordesign für die Rauchgasentschwefelung zu ebnen.
Schlüsselbegriffe
Nanotechnologie, NANO-DESIGN, Rechenmodelle, Funktionaldichtetheorie, heterogene Katalysatoren
