Dem Katalysator genauer bei der Arbeit zuschauen

2. August 2010, 14:22
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Forscher der Uni Wien entwickelten neue Methode zur Berechnung chemischer Prozesse an Oberflächen

Wien - Wenn in einem Fahrzeug-Katalysator beispielsweise das giftige Kohlenmonoxid zu harmlosen Kohlendioxid umgewandelt wird, wissen auch Fachleute nur grob, was dabei passiert. Exakte Beschreibungen der Vorgänge, etwa welche Bindungsenergien dabei auftreten, sind derzeit nicht möglich. Eine Forschergruppe der Uni Wien hat nun eine neuartige Methode entwickelt, mit der chemische Prozesse an Oberflächen mit bisher unübertroffener Genauigkeit berechnet werden können, die bisherige Fehlerquote von rund 20 Prozent wird damit mindestens halbiert. Die Arbeit wurde nun in der Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlicht.

In einem Kat lagern sich giftiges Kohlenmonoxid (CO) und Sauerstoff-Moleküle (O2) an die Platin-Oberfläche, der Sauerstoff wird dabei in einzelne Sauerstoff-Atome gespalten. Diese suchen sich dann ein CO-Molekül und verbinden sich damit zu ungiftigem Kohlendioxid (CO2). Mit verschiedenen Methoden wie der sogenannten Dichtefunktionaltheorie (DFT), für deren Entwicklung der 1939 aus Österreich vertriebene Walter Kohn 1998 mit dem Chemie-Nobelpreis ausgezeichnet wurde, oder dem an der Uni Wien entwickelten Computerprogramm zur quantenmechanischen Simulation von Festkörpern "Vienna Ab-initio Simulation Package" (VASP), lassen sich Teilprozesse solcher chemischer Reaktionen an Oberflächen berechnen.

Fehlerquote von 20 Prozent

Allerdings liegen die Fehler in den Bindungsenergien bei der DFT laut Georg Kresse, Professor für Computational Quantum Mechanics an der Uni Wien, bei 20 Prozent. Zudem können mit der DFT entweder die Bindung zwischen den Metallatomen des Katalysators, oder die Bindung zwischen Metall und angelagerten Molekülen genau berechnet werden, nicht aber beides. "Das ist langfristig nicht akzeptabel", sagte Kresse. Im Rahmen des 2003 an ihn verliehenen START-Preises des Wissenschaftsfonds FWF war es ein Ziel des Physikers, Methoden zur genauen Vorhersage der Bindungsstärke in Materialien zu entwickeln.

Problem der bisherigen Berechnungsmethoden war, dass etwa die Dichtefunktionaltheorie die Wechselwirkung zwischen den Elektronen nur sehr nährungsweise berücksichtigt. "Unsere neue Methode nimmt dagegen Rücksicht darauf, dass Elektronen auch über große Distanzen miteinander in Wechselwirkung treten", sagte Kresse. Der bisherige Fehler konnte dabei auf mindestens die Hälfte reduziert werden, teilweise auf nur mehr fünf Prozent. Das soll die Suche etwa nach neuen Materialien für Katalysatoren erleichtern, die beispielsweise das teure Platin in Fahrzeug-Kats ersetzen könnten.

Am häufigsten zitierter Physiker

Kresse erreichte im vergangenen Jahr bei einem von italienischen und US-amerikanischen Wissenschaftern ausgearbeiteten Verfahren zur Bewertung von Zitierungen in den renommierten Wissenschaftszeitschriften der Physical Review-Gruppe Platz sechs unter den weltweit am häufigsten zitierten Wissenschaftern. In Österreich ist er damit der am häufigsten zitierte Physiker. Zu verdanken hat das der 43-jährige Physiker auch der Entwicklung von VASP. Dieses 1998 lizenzierte Programm zählt zu den führenden Computerprogrammen zur quantenmechanischen Simulation von Festkörpern, wird weltweit eingesetzt - und entsprechend oft zitiert. (red/APA)

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    Was in einem Katalysator vor sich geht, können Wissenschafter nun genauer berechnen.

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