Projektbeschreibung
Eine Ansicht der Katalysatordynamik im atomaren Maßstab
Katalysatoren sind Substanzen, die die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion erhöhen. Das EU-finanzierte Projekt TACCAMA zielt darauf ab, den Zusammenhang zwischen der Dynamik und der Aktivität von Modellkatalysatoren auf atomarer Ebene zu untersuchen. Dazu werden die Forschenden ein Rastertunnelmikroskop mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung direkt in reaktive Gasgemische einsetzen. Auf diese Weise kann untersucht werden, wie sich die Struktur von Katalysatorpartikeln und Substraten unter Reaktionsbedingungen verändert. Anhand von kleinen Clustern mit einer genau definierten Anzahl von Atomen untersuchen die Forschenden, wie hochreaktive Partikelstrukturen erscheinen und verschwinden, wie dieser Prozess gesteuert werden kann und wie er die Katalysatorfunktion beeinflusst. Dieses Wissen könnte zur Entwicklung von kostengünstigeren Alternativen zu den heute üblichen Edelmetallkatalysatoren führen.
Ziel
From fine chemical synthesis over combustion control to electrode design – the majority of chemical reactions rely on catalysts to improve energy and material efficiency. Yet, the atomic-scale processes underlying a catalytic reaction at elevated pressures are far less well-understood than one might expect. Indeed, the successful optimization of industrial catalysts is typically achieved by ‘trial and error’. If we precisely understood the correlation between catalyst dynamics and activity, we could instead design stable, yet intrinsically dynamic (i.e. structurally fluxional) catalysts, drastically reduce our waste of noble metals by using only the most active particles and replace rare and toxic materials.
This project constitutes a fundamental and systematic investigation of heterogeneous catalysis in action. My aim is to map the pressure and temperature range in which supported particle catalysts are stable, and correlate particle size and support morphology with dynamics and stability. To do so, I will combine my experience with surface dynamics studies, video-rate scanning tunneling microscopy (STM), ambient pressure (AP) surface science and cluster research. State-of-the-art video-rate APSTM will enable me to observe catalyst dynamics such as sintering, adsorbate spillover onto the support, dynamic structural fluxionality of clusters and support roughening as a function of reactant partial pressure and temperature. The novelty of this project lies in the direct observation of catalyst particles, defined to the exact number of atoms, under realistic reaction conditions in order to tune reactivity by controlling their dynamics and stability on structurally and electronically optimized oxide supports. AP X-ray photoelectron spectroscopy (APXPS) will supply complementary information about chemical changes occurring in cluster and support. The knowledge gained will contribute to the targeted design of more active and efficient catalysts for specific applications.
Wissenschaftliches Gebiet
Schlüsselbegriffe
Programm/Programme
Thema/Themen
Finanzierungsplan
ERC-STG - Starting GrantGastgebende Einrichtung
80333 Muenchen
Deutschland