Prof. Dr. Martin Muhler
Heterogene Katalyse
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Katalyse


Entsprechend der Ostwaldschen Definition ist ein Katalysator eine Substanz, die die Geschwindigleit einer chemischen Reaktion beschleunigt, ohne die Gibbssche freie Standardenthalpie zu verändern. Dies bedeutet, dass der Katalysator sowohl ein Edukt als auch ein Produkt der Reaktion ist und somit nicht verbraucht wird. Der Prozess wird als Katalyse bezeichnet. (IUPAC, Gold Book http://goldbook.iupac.org). Mehr als 85 % aller chemischen Produkte benötigen für ihre Herstellung einen katalytischen Schritt. Die Katalyse ist eine Schlüsseltechnolgie für nachhaltiges wirtschaftliches Wachstum. Die Roadmap der Katalyseforschung steht auf der Homepage der deutschen Katalysegesellschaft als pdf-Datei zur Verfügung (GeCatS, http://www.gecats.de).

Heterogene Katalyse

In der heterogenen Katalyse befinden sich die aktiven Zentren in der Oberfläche von Festkörpern. Ein katalytischer Zyklus umfasst die Aktivierung der Edukte durch Adsorption auf der Oberfläche, deren Umsetzung zu den Produkten durch eine Oberflächenreaktion und die Desorption der Produkte.

Interdisziplinäre Wissenschaft

Die heterogene Katalyse ist eine interdisziplinäre Wissenschaft:

  • Wenn Festkörper mit aktiven Oberflächen synthetisiert werden, sind umfassende Kenntnisse der anorganischen Chemie erforderlich, die von der Festkörperchemie bis hin zur Chemie in wässrigen Lösungen reichen..
  • Wenn die synthetisierten Katalysatoren charakterisiert werden, sind umfassende Kenntnisse der physikalischen und analytischen Chemie erforderlich. Es werden zahlreiche strukturelle und spektroskopische Methoden eingesetzt, die von der Röntgenbeugung bis hin zur Schwingungsspektroskopie reichen. 
  • Wenn Reaktionsmechanismen aufgeklärt werden, sind umfassende Kenntnisse der Molekülchemie erforderlich, die von der organischen bis hin zur metallorganischen Chemie reichen..
  • Wenn Katalysatoren getestet werden, sind umfassende Kenntnisse der chemischen Reaktionstechnik erforderlich. Der Betrieb von Flussanlagen mit Festbettreaktoren zur Bestimmung des Umsatzes und der Selektivitäten umfasst viele ingenieurswissenschaftliche Aspekte wie das Lösen der Stoff- und Wärmebilanzen. Die Modellierung großer Reaktoren basiert heute auf der computergestützten Kombination von Strömungsmechanik, Kinetik an Oberflächen, Thermodynamik und Wärmetransport.  
Aktuelle Herausforderungen

Katalysatoren werden in Raffinerien, in chemischen Produktionsanlagen und im Umweltschutz eingesetzt. Sie sind der Schlüssel zur Verbesserung von Brennstoffzellen, um nachwachsende Rohstoffe in nutzbare Chemikalien umzuwandlen und um sonnenlichtgetriebene Reaktionen zu beschleunigen.Deshalb ist die heterogene Katalyse essentiell für die Bewältigung des Rohstoffwandels und zur Sicherung der zukünftigen Energieversorgung. Weitere Informationen sind auf der GDCh-Homepage unter Öffentlichkeitsarbeit\Positionspapiere zugänglich (http://www.gdch.de).