Katalyse auf atomarer Ebene: Die Beobachtung der am Einzelplatz promotierten Polymerisation kleiner Kohlenwasserstoffe

• Antragsteller: Professor Laerte Patera, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 432043087

In den letzten Jahren sind sogenannte Einzelatomkatalysatoren aufgrund ihrer hohen Effizienz und Selektivität in den wissenschaftlichen Fokus gerückt. Obwohl Katalysatoren mit aktiven Einzelplatzzentren bereits in chemischen Verfahren zum Einsatz kommen, existiert zur Zeit kein mikroskopisches Verständnis, so dass zur Prozessoptimierung und zur Katalysatorentwicklung eher empirische Verfahren herangezogen werden. Ein oberflächenanalytischer (surface science) Ansatz hat zwar das Potential, ein atomistisches Verständnis einer katalytischen Reaktion zu erlangen und diese dann maßgeschneidert zu steuern, allerdings sind derartige Studien typischerweise auf das Ultrahochvakuum beschränkt, während industrielle chemische Prozesse erhöhten Druck und komplexe katalytische Materialien erfordern.In diesem Projektvorschlag soll ein mechanistisches Verständnis von Reaktionen erzielt werden, die an Einzelplatzzentren katalysiert werden. Dazu soll die Einzelplatz-katalysierte Polymerisation kleiner Kohlenwasserstoffe unter realistischen Bedingungen auf Modellträgern und sowie auf Systemen untersucht werden, die industriellen Trägerkatalysatoren nahe kommen.Zunächst soll die Polymerisierung von Kohlenwasserstoffen auf einer Ni(111) Einkristallunterlage untersucht werden, bei der einzelne Ni-Adatome als potentielle Einzelatomkatalysatoren fungieren. Schnelle Rastertunnelmikroskopie mit Millisekunden-Zeitauflösung soll aufklären, ob die Adatome die Monomeranlagerung unterstützen. Oberflächencharakterisierung mittels in-situ und in-operando Rastertunnelmikroskopie und Umgebungsdruck-Photoelektronenspektroskopie wird bei schrittweiser Erhöhung des Druckes in den mbar-Bereich aufklären, wie sich der Verlauf der Polymerisierungsreaktion auf dem Weg vom Ultrahochvakuum bis hin zu Reaktionsbedingungen von industriellen Verfahren verändert.Das nächste Ziel des Projektvorschlages sind in situ Studien auf "realen" geträgerten Katalysatoren zur Olefinpolymerisation, bei denen Metallocenkomplexe auf einer ultradünnen Aluminiumoxidschicht verankert werden. Dazu werden wohl definierte Oberflächensysteme unter kontrollierten Bedingungen präpariert, um aktive Zentren als Einzelplatzkatalysatoren zu erzeugen. Neue in situ Mikroskopie- und Spektroskopietechniken werden dazu eingesetzt, die Eigenschaften der aktiven Zentren unter realistischen Reaktionsbedingungen zu studieren.Das skizzierte Vorhaben soll dazu dienen, anstehende Fragen zur Einzelplatzkatalysatoren in industriellen Prozessen zu klären und dadurch mögliche Wege für der Entwicklung von neuartigen Katalysatoren zu eröffnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen