Katalysatoren als "Beschleuniger chemischer Reaktionen" spielen auch bei der Herstellung synthetischer Kraftstoffe eine entscheidende Rolle.

Elektronenmikroskopische Aufnahme der Elementverteilung in einem Kern-Schale Katalysator. © IMVT

Die Forscher stehen dabei vor der Heraus­forderung ein perfektes Zusammen­spiel zwischen Katalysator und Reaktor zu erreichen, denn "hoch­effiziente Reaktoren können ihr volles Potenzial nur dann aus­schöpfen, wenn die ein­gesetzten Kata­lysa­toren maximale Aktivität und perfekte Selektivität auf­weisen. Selektivität bedeutet in diesem Zusammen­hang, dass nur die erwünschten Produkte entstehen und keine Neben­produkte", erklärt Dr. Michael Klumpp, Gruppen­leiter am IMVT. Über die chemische Zusammen­setzung und Struktur des Kata­lys­ators bis auf die Nano­meter­ebene herab lässt sich Einfluss auf den Reaktions­verlauf nehmen und damit auf Aktivität und Selektivität. Bei ihren Entwicklungen beschreiten die Wissen­schaftler innovative Wege und kombinieren, gestützt auf Simulation und Experiment, verschiedene Kata­lysa­toren zu multi­funktionalen Systemen. Dadurch gelingt es beispiels­weise, eigentlich mehr­stufige chemische Reaktionen in einem Prozess­schritt ablaufen zu lassen. "Durch ein cleveres Design der Kata­lysa­toren wollen wir ultra­kompakte Prozesse mit hoher Effizienz realisieren. Um die Kata­lysa­toren dabei im Detail verstehen und optimieren zu können, unter­suchen wir sie mit modernsten Methoden", bemerkt Klumpp. "Gemeinsam mit Kollegen anderer Institute am KIT nutzen wir beispiels­weise Röntgen­strahlung aus Teilchen­beschleunigern, um die Kata­lysa­toren ‚in operando‘, also bei der Arbeit, zu beobachten." Die gewonnenen Erkenntnisse fließen ein in die Simulations­rechnungen – so schließt sich der Kreis aus Simulation, Material­synthese, Experiment und Charakterisierung.


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