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Bindung von Wasserstoff an Metall erforscht

Göttinger Untersuchung Bindung von Wasserstoff an Metall erforscht

Warum Atome an manchen Oberflächen kleben, haben Forscher vom Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie und der Universität Göttingen aufgeklärt. Die Ergebnisse könnten, katalytische Vorgänge wie die Abgasentgiftung verbessern und neue katalytisch einsetzbare Stoffe identifizieren.

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Dr. Oliver Bünermann und Prof. Alec Wodtke (rechts) im Laserlabor.

Quelle: MPIbpC

Göttingen. Um zu verstehen, wie die Haftung von Atomen an Oberflächen grundsätzlich funktioniert, untersuchten die Physiko-Chemiker Dr. Oliver Bünermann und Prof. Alec Wodtke den theoretisch einfachsten Fall: wie sich Wasserstoffatome an verschiedenen Oberflächen verhalten. „Dazu haben wir Wasserstoffatome mit genau bekannter Geschwindigkeit auf eine Gold- und eine Xenon-Oberfläche geschossen. Beide Elemente haben völlig unterschiedliche Eigenschaften: Gold ist ein elektrischer Leiter, der freie Elektronen besitzt. Das Edelgas Xenon dagegen ist ein Isolator ohne freie Elektronen“, erläutert Wodtke, Direktor am Max-Planck-Institut (MPI) für biophysikalische Chemie und Professor am Institut für Physikalische Chemie an der Universität Göttingen. Anschließend maßen die Forscher, mit welcher Geschwindigkeit die Atome zurückprallten und berechneten aus dem Geschwindigkeitsunterschied, wie viel Energie vom Wasserstoffatom auf die Oberfläche übertragen worden war.

 
„Die Wasserstoffatome prallten von den sehr viel schwereren Xenonatomen ab und verloren fast keine Energie im Stoß. Ganz anders dagegen verhielten sich die Wasserstoffatome, wenn sie auf schwerere Goldatome geschossen wurden. Sie verloren einen großen Teil ihrer Energie“, erzählt Bünermann, Leiter der Gruppe Atom-Surface Scattering Dynamics an der Universität Göttingen und Erstautor der jetzt im Wissenschaftsjournal Science veröffentlichten Publikation. „Des Rätsels Lösung ist, dass Gold – im Gegensatz zu Xenon – freie Elektronen hat. Sie wirken wie eine zähe Flüssigkeit auf die Wasserstoffatome und bremsen sie ab“, so der Physiko-Chemiker.

 
Um das bei Raumtemperatur gasförmige Xenon in einen festen Zustand zu bringen, mussten die Forscher die Versuchstemperatur auf 45 Kelvin (minus 228 Grad Celsius) absenken. „Dieses aufwändige Experiment zu realisieren, war tatsächlich erst hier am Göttingen Campus möglich – nicht nur wegen des großartigen wissenschaftlichen Umfelds hier vor Ort, sondern auch dank der hervorragenden technischen Mitarbeiter in den Werkstätten am MPI für biophysikalische Chemie und an der Universität Göttingen. Alle Apparaturen wurden hier in Göttingen entwickelt“, so Wodtke. Die Doktoranden Yvonne Dorenkamp und Hongyan Jiang trugen wesentliche experimentelle Daten bei; in der Theorie lieferte Svenja Janke eine neue Betrachtung des Prozesses, die entscheidend für die experimentelle Auswertung war. Die Erkenntnisse der Wissenschaftler sind nach Angaben des MPI für biophysikalische Chemie ein wichtiger Schritt, um im Detail zu verstehen, wie chemische Reaktionen an Oberflächen ablaufen. jes/cr/ob

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