Oberflächenphysikalische Untersuchung von Einzelatomkatalysatoren

Katalyse, ein globaler Industriezweig, bildet die Grundlage der Produktion von Treibstoffen, Kunststoffen, Chemikalien und Pharmazeutika. Ungünstigerweise sind die besten Katalysatoren seltene und teure Metalle, was den effizienten Einsatz des aktiven Materials zu einem wichtigen Kriterium in der Entwicklung der preisgünstigen, energieeffizienten und umweltfreundlichen Katalysatoren der Zukunft macht. Jüngste Studien zeigen, dass optimale Effizienz in dieser Hinsicht durch Katalyse an einzelnen Metalladatomen auf kostengünstigen Metalloxiden erzielt werden kann. Die Entwicklung dieser Systeme ist faszinierend, wird jedoch bisher durch die stark limitierten Möglichkeiten zur Charakterisierung eines auf aktiven Einzelatomen basierenden Systems behindert. Aberrationskorrigierte Transmissionselektronenmikroskope kann zwar einzelne Metallatome auflösen, ermöglicht jedoch keine Aussage über die lokale Umgebung des aktiven Zentrums. Diese Information ist jedoch essenziell, um die Stabilität der Adatome zu verstehen, Deaktivierungsprozesse zu identifizieren, Reaktionsmechanismen korrekt zu modellieren und schlussendlich bessere Katalysatoren zu entwickeln. Die klassische Herangehensweise, um Einblicke in die Mechanismen heterogener Katalyse zu bekommen, ist Oberflächenchemie und -physik. Modellsysteme, in denen einzelne Atome auf gut charakterisierten Metalloxidoberflächen stabil bleiben, sind jedoch rar und bisherige Studien sind größtenteils auf sehr niedrige Temperaturen limitiert, wo Diffusion, aber auch die meisten Reaktionsprozesse, eingefroren sind. Meine Gruppe an der TU Wien hat in dieser Hinsicht eine entscheidende Entdeckung gemacht: Ein Modellsystem (die Fe3O4(001) Oberfläche), in dem dichte Anordnungen von einzelnen Metalladatomen bis zu einer Temperatur von 700 K stabil bleiben, mehr als ausreichend für das Studium vieler wichtiger katalytischer Reaktionen. Unser experimentelles Know-how unddie uns zur Verfügung stehende theoretische Fachkompetenz ermöglichen uns, die vielversprechenden Eigenschaften dieses einzigartigen Systems zu nützen, um katalytische Prozesse mit einzelnen Metallatomen und kleinen Clustern auf atomarer Ebene zu verstehen. Im Laufe des Projekts soll dafür schrittweise eine Wissensbasis aufgebaut werden. Ein großer Vorteil des Fe3O4(001)-Adatom-Systems ist, dass die Metall-Adsorbat-Kombination sowohl im Experiment als auch in Modellrechnungen leicht verändert werden kann. Daher können die für bestimmte Zwecke am besten geeigneten Adatome rasch identifiziert werden. Vorläufige Resultate zur CO-Oxidation mittels eines Pt1/Fe3O4 Katalysators sind vielversprechend: Ein gesamter Mars-van-Krevelen-Zyklus kann auf atomarer Ebene mitverfolgt, sowie der Mechanismus der Deaktivierung identifiziert werden. Wir planen in der Folge, maßgeschneiderte Einzelatomkatalysatoren für verschiedene Reaktionen zu erstellen, deren Leistung in realistischer (Hochdruck-)Umgebung zu testen und zu versuchen, ähnliche Systeme mit Fe3O4-Nanowürfeln herzustellen. Der umfassende experimentelle und theoretische Zugang, der hier eingesetzt werden soll, spiegelt das breite Fachwissen wider, das ich in meiner bisherigen Karriere erworben habe. Die Finanzierung dieses Projektantrages wird den Fortbestand erfolgreicher und den Beginn neuer Kollaborationen, innerhalb der TU Wien und international, unterstützen. Ich bin davon überzeugt, dass die exzellente Infrastruktur und die erstklassige Forschungsumgebung an der TU Wien diese zum idealen Ort für dieses Forschungsvorhaben machen. Das START-Programm wird ein wichtiger Baustein für meine weitere akademische Karriere sein und mir ermöglichen, wegweisende Beiträge zur Erforschung der heterogenen Katalyse zu liefern.

Katalysatoren werden in der gesamten modernen Wirtschaft eingesetzt, um ein Material in ein anderes umzuwandeln. Die besten Katalysatoren sind in der Regel seltene und teure Metalle, weshalb viel Aufwand betrieben wird, um die benötigte Menge an Metall zu minimieren. In diesem FWF-START-Projekt untersuchten wir das Potenzial von "Ein-Atom"-Katalysatoren, die die ultimative Grenze der Effizienz darstellen. Um nützlich zu sein, müssen die einzelnen Atome auf einem billigen Trägermaterial, wie Eisenoxid, verankert sein. Mit unserem Projekt wollten wir herausfinden, wie die Verankerung funktioniert und wie die Reaktionen ablaufen. Reale industrielle Katalysatoren sind sehr komplex, so dass es unmöglich ist, die Struktur auf atomarer Ebene zu kennen. Unsere Arbeit basierte auf einem idealisierten Modellsystem, bei dem der Träger ein gut definierter Eisenoxid-Einkristall war und der Katalysator in einer stark kontrollierten Vakuumumgebung untersucht wurde. Im Laufe des Projekts konnten wir nachweisen, dass die Art und Weise, in der das "Einatom" an den Träger gebunden ist, für seine Reaktivität und Stabilität entscheidend ist. Denn das Metallatom wird elektrisch geladen, wenn es Bindungen eingeht, und dies wirkt sich direkt auf die Bindungsstärke der Reaktionsmoleküle aus. Außerdem haben wir gezeigt, dass es möglich ist, die Bindung und damit die Reaktivität durch die richtige Behandlung des Katalysators zu steuern. Bei all diesen Studien (insgesamt wurden 38 Arbeiten veröffentlicht) wurde eine enge Zusammenarbeit zwischen Experimenten und Simulationen praktiziert und die Grenzen dessen, was bei dieser Art von Arbeit erreicht werden kann, verschoben. Eines der schwierigsten Probleme bei Experimenten mit "einzelnen Atomen" ist, dass das Signal in der Regel sehr gering ist. Im Laufe des Projekts wurde uns klar, dass wir die Fähigkeit unserer Experimente verbessern mussten, um zuverlässige Daten zu erhalten, und dies motivierte uns, unsere Ausrüstung zu verbessern. Die START-Finanzierung ermöglichte es uns, die Empfindlichkeit unserer Ausrüstung mit modernsten Geräten drastisch zu verbessern. Ein großer Erfolg des Projekts war die Entwicklung eines neuen Aufbaus für die "Infrarot-Reflexions-Absorptionsspektroskopie", mit dem wir zum ersten Mal Modellkatalysatoren mit einzelnen Atomen untersuchen können. Schließlich war das Projekt sowohl für den Projektleiter, der jetzt eine ordentliche Professur an der TU Wien innehat, als auch für die beteiligten Doktoranden, die alle eine erfolgreiche Karriere in der akademischen Forschung anstreben, von großem Nutzen. Die Ergebnisse dieses Projekts haben neue Ideen inspiriert und es vielen Mitgliedern des Teams ermöglicht, erfolgreich weitere Forschungsgelder in Höhe von insgesamt rund 5 Millionen Euro beim FWF und der Europäischen Union zu beantragen.