{"id":13400,"date":"2013-04-29T00:00:00","date_gmt":"2013-04-28T22:00:00","guid":{"rendered":"http:\/\/www.bio-based.eu\/news\/index.php?startid=20130429-01n"},"modified":"2013-04-29T00:00:00","modified_gmt":"2013-04-28T22:00:00","slug":"rub-forscher-erklaert-mysterioesen-katalysator","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/rub-forscher-erklaert-mysterioesen-katalysator\/","title":{"rendered":"RUB-Forscher erkl\u00e4rt mysteri\u00f6sen Katalysator"},"content":{"rendered":"

Von Methanol zu Formaldehyd \u2013 diese Reaktion ist der Ausgangspunkt f\u00fcr die Synthese vieler alltagsrelevanter Kunststoffe. Mit Katalysatoren aus Goldpartikeln k\u00f6nnte sich Formaldehyd herstellen lassen, ohne dass umweltsch\u00e4dliche Abf\u00e4lle wie bei herk\u00f6mmlichen Verfahren entstehen. Wie der mysteri\u00f6se Goldkatalysator funktioniert, haben theoretisch und experimentell arbeitende Forscher der Ruhr-Universit\u00e4t Bochum in einem Kooperationsprojekt herausgefunden. In der “International Edition” der Zeitschrift “Angewandte Chemie” berichten sie im Detail, was bei der chemischen Reaktion an der Goldoberfl\u00e4che passiert.<\/p>\n

“Eigentlich sollte Gold als Katalysator ungeeignet sein.”<\/b>
“Dass Nanopartikel aus Gold tats\u00e4chlich selektiv Methanol zu Formaldehyd umsetzen, ist bemerkenswert”, sagt Prof. Dr. Martin Muhler vom Lehrstuhl f\u00fcr Technische Chemie der RUB. “Als best\u00e4ndiges Edelmetall sollte Gold eigentlich nicht als Katalysator geeignet sein.” Doch Goldpartikel von wenigen Nanometern Gr\u00f6\u00dfe, verankert an einer Titandioxidoberfl\u00e4che, erf\u00fcllen ihren Dienst. Sie ben\u00f6tigen lediglich Sauerstoff, um die Reaktion in Gang zu bringen; als Abfall bleibt nur Wasser \u00fcbrig. Wie das geht, untersuchte Muhlers Team gemeinsam mit den Gruppen von Prof. Dr. Dominik Marx vom Lehrstuhl f\u00fcr Theoretische Chemie und Dr. Yuemin Wang vom Lehrstuhl f\u00fcr Physikalische Chemie I.<\/p>\n

\n\n\n\n
\"Gold\/Titandioxid-Katalysator2, kleine
dunkelblaue Kugeln) wird an der Grenzfl\u00e4che zwischen einem Goldpartikel (Au,
gold) und Titandioxid (TiO2<\/sub>, rot und hellblau) durch Ladungstransfer aktiviert
und damit katalytisch wirksam. Dadurch kann Methanol (CH3<\/sub>OH) effizient
und selektiv zu Formaldehyd (CH2<\/sub>O) oxidiert werden; es entsteht auch Wasser
(H2<\/sub>O). Den Ladungstransfer wiesen die Forscher experimentell durch das
Schwingungsspektrum von adsorbiertem Kohlenmonoxid (CO) nach (Mitte): Eine
neue Bande (CO@Au(delta+)O2<\/sub>(delta-) erscheint im Spektrum nur in Gegenwart
von O2<\/sub>. Grafik: M. Farnesi Camellone und D. Marx”><\/td>\n<\/tr>\n
Gold\/Titandioxid-Katalysator in Aktion: Ein Sauerstoffmolek\u00fcl (O2<\/sub>, kleine
dunkelblaue Kugeln) wird an der Grenzfl\u00e4che zwischen einem Goldpartikel (Au,
gold) und Titandioxid (TiO2<\/sub>, rot und hellblau) durch Ladungstransfer aktiviert
und damit katalytisch wirksam. Dadurch kann Methanol (CH3<\/sub>OH) effizient
und selektiv zu Formaldehyd (CH2<\/sub>O) oxidiert werden; es entsteht auch Wasser
(H2<\/sub>O). Den Ladungstransfer wiesen die Forscher experimentell durch das
Schwingungsspektrum von adsorbiertem Kohlenmonoxid (CO) nach (Mitte): Eine
neue Bande (CO@Au(delta+)O2<\/sub>(delta-) erscheint im Spektrum nur in Gegenwart
von O2<\/sub>. Grafik: M. Farnesi Camellone und D. Marx<\/td>\n<\/tr>\n<\/table>\n<\/div>\n

Sauerstoff bindet an der Grenze zwischen Gold und Titandioxid<\/b>
Die Chemiker identifizierten das aktive Zentrum des Katalysators, also die Stelle, an der Sauerstoff und Methanol binden und zu Wasser und Formaldehyd umgewandelt werden. Aufw\u00e4ndige Rechnungen von Dr. Matteo Farnesi Camellone zeigten, dass Sauerstoff an der Grenzfl\u00e4che zwischen Titandioxid und Goldpartikeln bindet. Da Titandioxid ein Halbleiter und somit elektrisch leitend ist, kann es hier zu einem Ladungsaustausch zwischen Sauerstoff, Goldpartikeln und Titandioxid kommen. Sauerstoff-Fehlstellen im Titandioxid beg\u00fcnstigen diesen Ladungstransfer noch weiter. Elektronen gehen \u00fcbergangsweise vom Katalysator auf das Sauerstoffmolek\u00fcl \u00fcber. Das erm\u00f6glicht die Bindung von Methanol an die Goldpartikel. In mehreren weiteren Reaktionsschritten bilden sich Formaldehyd und Wasser. Der Feststoff, der aus Gold und Titandioxid besteht, liegt am Ende des Reaktionszyklus im gleichen Zustand vor wie zu Beginn, verbraucht sich also nicht.<\/p>\n

Experiment und Theorie: Nur die Kombination macht\u2018s m\u00f6glich<\/b>
Das RUB-Team kl\u00e4rte die einzelnen Reaktionsschritte im Detail auf. Die Forscher nutzten dazu Computersimulationen, sogenannte Dichtefunktionalrechnungen, und verschiedene Spektroskopieverfahren, n\u00e4mlich Schwingungsspektroskopie (HREELS-Methode) und thermische Desorptionsspektroskopie. In seinen Modellrechnungen quantifizierte Dr. Farnesi den w\u00e4hrend der Katalyse stattfindenden Ladungsaustausch. Extrem sensitive schwingungsspektroskopische Messungen von Dr. Wangs Gruppe best\u00e4tigten die Konsequenzen des Ladungstransfers am realen System. “So konnten wir durch eine intensive Kooperation von Theorie und Experiment das aktive Zentrum und den gesamten Reaktionsmechanismus dieses komplexen Katalysators qualitativ und quantitativ erforschen”, betont Prof. Marx.<\/p>\n

F\u00f6rderung<\/b>
Die Studie entstammt dem Sonderforschungsbereich 558 “Metal-substrate interactions in heterogeneous catalysis”, der Mitte 2012 auslief. “Die Ergebnisse sind sozusagen die Kr\u00f6nung der SFB-Arbeiten zur Alkoholoxidation”, res\u00fcmiert Muhler. Das Projekt wurde weiterhin aktiv gef\u00f6rdert durch das 2012 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft genehmigte Exzellenzcluster “Ruhr Explores Solvation” RESOLV (EXC 1069), in dem Forscher die selektive Oxidation von Alkoholen in fl\u00fcssiger Phase untersuchen.<\/p>\n

Titelaufnahme<\/b>
M. Farnesi Camellone, J. Zhao, L. Jin, Y. Wang, M. Muhler, D. Marx (2013): Molecular understanding of reactivity and selectivity for methanol oxidation at the Au\/TiO2 interface, Angewandte Chemie International Edition, DOI: 10.1002\/anie.201301868<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Von Methanol zu Formaldehyd – diese Reaktion ist der Ausgangspunkt für die Synthese vieler alltagsrelevanter Kunststoffe. Mit Katalysatoren aus Goldpartikeln könnte sich Formaldehyd herstellen lassen,<\/b><\/p>\n","protected":false},"author":3,"featured_media":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_seopress_robots_primary_cat":"","nova_meta_subtitle":"","footnotes":""},"categories":[5572],"tags":[],"supplier":[4911,1806],"class_list":["post-13400","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-bio-based","supplier-cluster-of-excellence-resolv-exc-1069","supplier-ruhr-universitaet-bochum"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/13400","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/users\/3"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=13400"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/13400\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=13400"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=13400"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=13400"},{"taxonomy":"supplier","embeddable":true,"href":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/wp-json\/wp\/v2\/supplier?post=13400"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}