NSF-DFG MISSI​​ON: Unraveling Structures and Dynamics of Plasmonic Catalysts by In-Situ X-ray and Electron-Based Probing

• Applicants: Professor Dr. Christoph Tobias Koch; Professorin Dr. Renske van der Veen
• Subject Area: Physical Chemistry of Solids and Surfaces, Material Characterisation
• Term: since 2024
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 541930824

In der Bewältigung zentraler Herausforderungen für unsere moderne Gesellschaft, wie der Energiekonversion, dem Umweltschutz oder der chemischen Synthese, kommt der Katalyse eine Schlüsselrolle zu. Aufgrund ihrer Fähigkeit, ein breites Spektrum chemischer Reaktionen unter milden Bedingungen selektiv zu fördern, indem sie sichtbares Licht zur Aktivierung nutzen, erweisen sich plasmonische Katalysatoren auf Basis lichtabsorbierender Nanoteilchen als spannende Ergänzung zu herkömmlichen Katalysemethoden. Mit der Verwendung plasmonischer Katalysatoren ist jedoch die große Herausforderung verbunden, dass diese oft auf der Grundlage ihrer statischen Atomstrukturen definiert, entworfen, und modelliert werden, sie in Wirklichkeit aber unter katalytischen Bedingungen eine ganz andere Struktur aufweisen können. Dieser Umstand verhindert die Formulierung von Struktur-Aktivitäts-Beziehungen, und somit die Entwicklung genauer theoretischer Modelle. In vielen Fällen können sich die Oberflächenstruktur, die Zusammensetzung und/oder der Oxidationszustand des Katalysators als Reaktion auf die Lichtanregung und/oder die Reaktionsbedingungen in die aktive Form oder in eine passivierte Form ändern. Ziel dieses Forschungsantrags ist es daher, auf atomarer Ebene die Struktur plasmonischer Katalysatoren unter tatsächlichen Betriebsbedingungen zu bestimmen. Wir erreichen dieses Ziel durch Echtzeitbildgebung mit einem dynamischen Transmissionselektronenmikroskop an der University of Illinois, in situ Röntgenabsorptionsspektroskopie an der Synchrotronanlage BESSY II, und hochauflösende Elektronenenergieverlustspektroskopie an der Humboldt-Universität zu Berlin. Die von uns untersuchten Nanostrukturen bestehen aus einem Münzmetall wie Gold, Silber oder Kupfer, das eine starke Lichtabsorption aufweist, und einem katalytischen Metall wie Nickel oder Ruthenium. CO2 und CO-Hydrierung werden als Modellreaktionen eingesetzt, da sie für die CO2-Fixierung wichtig sind und nachweislich durch angeregte Ladungsträger infolge plasmonischer Anregung katalysiert werden. Unter photokatalytischen Bedingungen können sich die beiden Metalle aufgrund der Wirkung angeregter Ladungsträger, Erwärmung und reaktiver Umgebungen vermischen oder trennen, was zu Veränderungen der Lichtabsorption, der Oberflächenbindung reaktiver Moleküle sowie der katalytischen Aktivität und Selektivität führt. Die vorgeschlagenen Studien werden Erkenntnisse über die aktive, dynamische Struktur der bimetallischen Katalysatoren unter tatsächlichen Betriebsbedingungen liefern. Dies wird zu zuverlässigeren Struktur-Aktivitäts-Beziehungen und prädiktiven theoretischen Modellen der plasmonischen Katalyse führen. In Fällen einer irreversiblen Umstrukturierung kann ein Verständnis der Art und Weise, wie die Umstrukturierung auf atomarer Ebene abläuft, die Art der Deaktivierung des Katalysators aufdecken und Abhilfestrategien zur Hemmung der Umstrukturierung durch Abstimmung des Syntheseprotokolls aufzeigen.

• DFG Programme: Research Grants
• International Connection: USA
• Partner Organisation: National Science Foundation (NSF)
• Cooperation Partner: Professor Dr. Prashant K. Jain