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Neues Messverfahren sorgt für besseres Verständnis der Katalyse

Pressemitteilung 2015/064 vom

Forscher der Universitäten Leipzig und Stuttgart haben ein neues Messverfahren entwickelt, um Molekülen bei ihrer chemischen Umwandlung auf die Spur zu kommen. Es gelang ihnen, die Konzentration der beteiligten Moleküle am Ort ihrer Umwandlung zu messen. Damit ist die Effizienz beim Einsatz der Katalysatoren, die zur Beschleunigung dieser Umwandlungen eingesetzt werden, erstmals direkt messbar geworden. Dieses Messverfahren wurde von den Physikern Jörg Kärger und Christian Chmelik von der Universität Leipzig sowie dem Chemiker Prof. Dr. Jens Weitkamp von der Universität Stuttgart entwickelt. Gemeinsam mit ihren Kooperationspartnern haben sie ihre Forschungsergebnisse vor kurzem in der Onlineausgabe der renommierten Zeitschrift "Angewandte Chemie" veröffentlicht.

"Bisherige Verfahren zur Bestimmung des Nutzungsgrades solcher Prozesse beruhten immer auf Beobachtungen außerhalb des Bereichs, in dem die chemischen Umwandlungen stattfinden", berichtet Kärger. Zusätzliche Arbeiten, die dadurch nötig waren, könnten mit dem neuen Messverfahren entfallen. "Mit dem von uns eingeführten Verfahren sind die besten Voraussetzungen gegeben, um die bisher gebräuchlichen, konventionellen Messmethoden abzulösen", sagt der Physiker.

Mikroporöse Katalysatoren, also Materialien mit Poren von molekularer Größe, haben bei den chemischen Prozessen eine doppelte Funktion. Sie beschleunigen einerseits die Umwandlung und sorgen durch ihre passgenaue Porengröße andererseits dafür, dass nur bestimmte Moleküle entstehen können. Allein im Bereich der Erdölveredlung liegen die auf diesem Prinzip basierenden Einsparungen weltweit im Bereich von jährlich zehn Milliarden Euro.

Das Verhältnis zwischen tatsächlicher und maximal möglicher Umsatzgeschwindigkeit ist eine entscheidende Kenngröße für die Effizienz katalytischer Reaktionen, wobei die Menge des gebildeten Produkts einer katalytischen Umwandlung offensichtlich mit dem Anteil des Porenraums anwächst, der für diese Umwandlung genutzt wird. Mit der Verteilung der Ausgangs- und Produktmoleküle im Katalysator, wie sie mit dem neuen Verfahren direkt beobachtbar wird, sind damit alle für die Bestimmung des Nutzungsgrades beim jeweiligen Katalysatoreinsatz erforderlichen Informationen unmittelbar verfügbar.

Die Entwicklung und erfolgreiche Erprobung des neuen Messprinzips sind Kärger zufolge auch den Rahmenbedingungen im Internationalen Graduiertenkolleg "Diffusion in Porous Materials" an der Universität Leipzig zu verdanken, in dem die Untersuchungen durchgeführt wurden. Unterstützt wurden die Forscher dabei vor allem vom Sprecher des Graduiertenkollegs, Prof. Dr. Roger Gläser.

Fachveröffentlichung:
Microimaging of Transient Concentration Profiles of Reactant and Product Molecules during Catalytic Conversion in Nanoporous Materials, in Angewandte Chemie - International Edition
doi: 10.1002/ange.201409482