Katalysatoren bei der Arbeit

Mehr als 60 % aller chemischen Prozesse beruhen auf katalytischen Verfahren. Mehr als 90% aler chemischen Produkte haben in mindestens einem Produktionsschritt einen Katalysator gesehen. Heterogene Katalysatoren spielen die Hauptrolle bei der großskaligen Produktion von Chemikalien, auch bei der derzeitigen Umstellung von fossilen auf nachhaltig hergestellte Produkte sowie im Bereich der Energiespeicherung.

Die dafür notwendigen Katalysatoren müssen zeitnah entwickelt werden; dafür ist ein eingehendes Verständnis notwendig. Operando-Bedingungen ermöglichen die Untersuchung von Katalysatoreigenschaften unter Reaktionsbedingungen, was für das Verständnis des katalytischen Mechanismus auf molekularer Ebene essentiell ist.

Da die Katalyse vorwiegend auf Oberfläche stattfindet, handelt es sich in der Regel um amorphe Festkörper hoher Oberfläche und kleiner Partikelgröße. Ideal sind Techniken auf Basis von Röntgenstrahlung. Die klassische Röntgendiffraktion ist oft nicht anwendbar; stattdessen hat sich die  Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) in der Katalyse durchgesetzt. Dafür benötigt es weißes Röntgenlicht, das nur an Synchrotronstrahlungsquellen in hoher Intensität zur Verfügung gestellt wird.

Idealerweise kombiniert man das katalytische und das Röntgen-Experiment. Um dies zu optimieren, wurde die CATACT-Beamline an der KIT-Lichtquelle designed. Sie legt den Schwerpunkt auf in situ Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) in Form von Röntgenabsorptions-Nahkantenstruktur (XANES) und erweiterter Röntgenabsorptions-Feinstruktur-Spektroskopie (EXAFS). Dies deckt einen Photonenenergiebereich von 5 keV bis 60 keV ab. Diese Techniken werden mit Röntgenbeugung (XRD), Infrarotspektroskopie und anderen korrelativen spektroskopischen Methoden kombiniert. Eine spezielle Infrastruktur für katalytische Untersuchungen unter Reaktionsbedingungen in der Gasphase, in der Flüssigphase und bei erhöhtem Druck wurde bzw. wird derzeit aufgebaut.

Weiterhin messen wir an einer Vielzahl von weiteren Messplätzen (PETRA III, SLS, SOLEIL, ESRF, BESSY, MAXIV, DIAMOND, etc.), die dann ausgehend von dem XANES/EXAFS-Experiment an CatAct eine höhere Empfindlichkeit, eine bessere Zeitauflösung oder eine bessere örtliche Auflösung erlauben. Zudem tragen wir die Idee weiter: QEXAFS, XES, HERFD-XAS, Tomographie, Ptychographie, PDF, NAP-XPS, ED-XRD oder SAXS sind nur einige weitere Methoden - je nach Fragestellung.