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Göttingen Forschung in Göttingen für sauberere Luft
Campus Göttingen Forschung in Göttingen für sauberere Luft
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16:00 02.07.2018
Ein gezielter Strahl aus Kohlenmonoxid-Molekülen trifft auf eine sauerstoffbedeckte Platin-Oberfläche, an der das Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid umgewandelt wird. Quelle: r
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Göttingen

„Die Oxidation von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid ist eine der ältesten und am besten untersuchten katalytischen Reaktionen überhaupt. Doch bislang hatten Wissenschaftler nicht die technischen Möglichkeiten, auf molekularer Ebene zu analysieren, was mit den einzelnen Molekülen bei dieser Reaktion passiert“, erklärt Prof. Theofanis Kitsopoulos, Leiter der jetzt im renommierten Journal Nature erschienenen Arbeit. Kitsopoulos, Projektgruppenleiter am Göttinger MPI für biophysikalische Chemie, berichtet: „Uns ist es jetzt gelungen, diesen chemischen Reaktionsmechanismus im Detail zu entschlüsseln.“

Die Umwandlung des Kohlenmonoxids in Kohlendioxid erfolgt an einer Platin-Oberfläche. Dafür binden zunächst Sauerstoff- und Kohlenmonoxid-Moleküle an die Oberfläche, bevor sie zu Kohlendioxid reagieren und sich gleichzeitig wieder vom Platin lösen, das unverändert bleibt.

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Komplizierte Reaktion

Die Reaktion wird dadurch kompliziert, dass die Oberfläche des Platins auf atomarer Ebene nicht gleichmäßig ist. Etwa 99 Prozent der Platin-Oberfläche besteht aus glatten Flächen, während gut ein Prozent Stufen zwischen den einzelnen glatten Schichten der Platin-Atome ausmachen. Beide Oberflächentypen sind katalytisch aktiv, wobei die Stufen mehr katalytische Aktivität aufweisen als die glatten Flächen. Darüber hinaus entstehen bei der Reaktion zwei verschiedene Spezies an Kohlendioxid-Molekülen: Die einen sind hyperthermisch, besitzen also hohe Energien und Geschwindigkeiten, die anderen sind thermisch, mit mäßigen Energien und Geschwindigkeiten.

Doch wie beeinflussen die beiden aktiven Oberflächen des Platins die Katalyse? Und wie kommt es bei der Reaktion zu zwei Produkten mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften? Um diese Fragen zu klären, kombinierte das Forscherteam zwei Methoden, die bisher nicht zusammen verwendet wurden: Die Wissenschaftler nutzten einen Strahl aus gasförmigen Kohlenmonoxid-Molekülen, mit dem sie gezielt eine Platin-Oberfläche beschossen, an die molekularer Sauerstoff gebunden war. Mithilfe der slice-ion imaging-Methode bestimmten die Forscher dann den Ort der Reaktion sowie die Geschwindigkeit und den Winkel, in dem die Kohlendioxid-Moleküle von der Platin-Oberfläche wegflogen.

Erstautor der Arbeit

„Unsere Untersuchungen zeigen, dass es drei verschiedene Reaktionsmechanismen gibt: Zwei davon führen zur Produktion von thermischem Kohlendioxid. Bei diesen Reaktionswegen wandert das Kohlenmonoxid entweder von glatten Flächen zu Stufen auf der Platin-Oberfläche und reagiert dort mit einem Sauerstoff-Atom. Oder Kohlenmonoxid, das bereits an einer Platin-Stufe hängt, reagiert direkt mit Sauerstoff. Beim dritten Mechanismus reagieren Kohlenmonoxid und Sauerstoff auf glatten Flächen zu hyperthermischem Kohlendioxid“, fasst Jannis Neugebohren, Doktorand am Institut für Physikalische Chemie der Universität Göttingen und Erstautor der Arbeit, Ergebnisse zusammen.

Prof. Alec Wodtke, Direktor am MPI für biophysikalische Chemie, ist vom Potenzial der Methode überzeugt: „Jetzt haben wir die Möglichkeit, völlig neue Einblicke in die Rolle verschiedener, katalytisch aktiver Zentren zu gewinnen. Diese Erkenntnisse können uns unter anderem dabei helfen, bessere Katalysatoren zu entwickeln.“

Von r

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