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Nobelpreis für Katalyse-Forschung: Von der Alchemie zur exakten Wissenschaft

Der genaue Ablauf katalytischer Reaktionen war Forschern lange Zeit unklar. Der Berliner Physiker Gerhard Ertl hat entscheidend dazu beigetragen, das Geheimnis zu lüften - und so die moderne Oberflächenchemie begründet. Nun hat er dafür den Nobelpreis für Chemie erhalten.

Ohne Katalysatoren wäre die moderne Welt kaum denkbar. Sie sorgen für schadstoffarme Abgase in Autos und erleichtern das sogenannte Cracken - die Aufspaltung von Erdöl in Segmente wie Gase, Benzin und Kerosin. Die Anwesenheit bestimmter Metalle beschleunigt chemische Reaktionen - oder macht diese bei vergleichsweise tiefen Temperaturen erst möglich.

Auspuff: Nobelpreisträger Ertl erforschte auch Auto-Katalysatoren
DPA

Auspuff: Nobelpreisträger Ertl erforschte auch Auto-Katalysatoren

Was bei einer katalytischen Reaktion genau passiert, wussten Forscher lange Jahre nur ungefähr. Gerhard Ertl vom Berliner Fritz-Haber-Institut hat die Prozesse, die sich an der Grenzfläche von Gasen und Festkörpern abspielen, in den vergangenen Jahrzehnten Schritt für Schritt untersucht - und so die Oberflächenchemie entscheidend vorangebracht, wie die Königliche Schwedische Akademie in der Würdigung für den Nobelpreis 2007 schreibt.

Wenn ein Gasmolekül auf eine feste Oberfläche trifft, können zwei Dinge passieren: Entweder es prallt ab, oder aber, und das ist der interessantere Fall, es wird adsorbiert - also angesaugt. Die Wechselwirkungen des Moleküls mit den Atomen der Oberfläche können so stark sein, dass es in Einzelbestandteile zerlegt wird - also in kleinere Moleküle und/oder Atome.

Genauso gut kann das Molekül mit Bestandteilen der Oberfläche reagieren und so deren chemische Eigenschaften verändern. Als weitere Möglichkeit kann das adsorbierte Molekül mit zuvor adsorbierten Molekülen zusammentreffen - eine chemische Reaktion auf der Oberfläche ist die Folge.

Einkristalle als Modell

Um solche katalytischen Prozesse überhaupt beobachten zu können, entwickelte Ertl ganz neue experimentelle Methoden. Statt realer Katalysatoroberflächen mit unbekannter Beschaffenheit untersuchte der Physiker Oberflächen von Einkristallen. Diese haben eine einheitliche Atomkonfiguration, Fremdatome gibt es darin nicht.

Die Experimente erforderten eine Vakuumumgebung und wurden zudem bei tiefen Temperaturen durchgeführt, um die Bewegung der beteiligten Teilchen so langsam wie möglich ablaufen zu lassen, um sie überhaupt beobachten zu können.

Mithilfe der Rastertunnel-Mikroskopie gelang es Ertl, metallische Oberflächen mit einzelnen sogenannten chemisorbierten Atomen zu erkennen und die durch Adsorption hervorgerufenen Umordnungen der Metalloberfläche zu bestimmen.

Mit einem hochempfindlichen, mehrere Aufnahmen pro Sekunde ermöglichenden Rastertunnel-Mikroskop konnte Ertl 1997 die Adsorption von Sauerstoff auf Platin in Abhängigkeit von der Temperatur verfolgen. Die Sauerstoffmoleküle werden dabei in Atome zerlegt. In einer weiteren Studie konnte Ertls Team zeigen, dass bei Zugabe von Kohlenmonoxid (CO) die CO-Moleküle mit den Sauerstoffatomen reagieren. Es bildet sich Kohlendioxid, das sich sofort vom Platin ablöst - ein Vorgang wie im Autokatalysator.

Anwendung in Autos und der chemischen Industrie

Solche Reaktionen an Oberflächen spielen in der chemischen Industrie eine wichtige Rolle. So basiert auch das Anfang des 20. Jahrhunderts entwickelte Haber-Bosch-Verfahren zur Ammoniaksynthese, einem Ausgangsprodukt für Kunstdünger und Sprengstoff, auf dem Einsatz von Katalysatoren. Eine Reaktion, zu deren exaktem Verständnis Ertls Untersuchungen entscheidend beigetragen haben. Ein wichtiges Einsatzgebiet der Oberflächenchemie liegt außerdem in der Halbleiter-Industrie.

Ertl hat in seiner Forschungslaufbahn versucht, stets die neuesten Untersuchungsmethoden für seine Forschungen einzusetzen. So gehörte er zu den ersten, die in den achtziger Jahren das neu entwickelte Rastertunnel-Mikroskop einsetzten. Für diese Forschungen hatten die deutschen Wissenschaftler Gerd Binnig und Ernst Ruska bereits 1986 den Nobelpreis für Physik erhalten.

Ertl selbst ist sich der Bedeutung seiner eigenen Arbeiten für Oberflächenchemie sehr wohl bewusst. Die detaillierte Untersuchung von Oberflächenprozessen habe die Katalyseforschung allmählich "von einer ‘Schwarzen Kunst’ in eine exakte Wissenschaft" überführt, sagte er schon vor Jahren.

hda

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