Heterogene Katalyse auf Basis Einzelatomlegierungen zur selektiven Umwandlung von (mehrfach-)ungesättigten Kohlenwasserstoffen: von Einkristalllegierungen zu legierungsbasierten Modellnanopartikeln.

• Antragstellerin: Professorin Dr. Swetlana Schauermann
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 565361343

Heterogene Katalysatoren, die auf Einzelatomlegierungen (Single Atom Alloys, SAA) basieren, gewinnen zunehmend an Bedeutung in einer Vielzahl technischer Anwendungen. In diesen Systemen kommen hybride Metall-Nanopartikel zum Einsatz, in denen hochaktive, ultraseltene Elemente wie Pd oder Pt atomar in ein inerteres, jedoch selektiveres Metall der Gruppe 11 – Cu, Ag oder Au – eingebettet sind. Diese Metallkombination ermöglicht eine hohe Selektivität und eine ökonomische Nutzung der kostspieligen Übergangsmetalle der Gruppen 8 bis 10. Die besondere Struktur der SAAs erlaubt es, die Position zweier aktiver Zentren – nämlich der Zentren zur Aktivierung starker Bindungen (z. B. in H2- und O2-Molekülen) und der Bindungszentren für Zwischenprodukte – effizient zu entkoppeln. Dadurch wird sowohl eine einfache Dissoziation der Reaktanden als auch eine schwache Bindung der Zwischenprodukte gefördert, was zwei entscheidende Faktoren für eine effektive und selektive Katalyse darstellt. Im Rahmen des geplanten Forschungsvorhabens streben wir an, ein atomistisches Verständnis der heterogenen Katalyse zu erlangen, die an den komplexen SAA-basierten Grenzflächen stattfindet. Trotz der zunehmenden Anzahl an Studien zu einkristallinen SAA-basierten Katalysatoren bleibt das mikroskopische Verständnis dieser Hybridmaterialien in nanostrukturierter Form und unter technologisch relevanten Druckbedingungen begrenzt. Um dies zu adressieren planen wir Grundlagenstudien zur katalytischen Reaktivität von SAA-basierten Modellkatalysatoren, die sowohl unter Ultrahochvakuum- (UHV) als auch unter Umgebungsdruckbedingungen durchgeführt werden. Dabei werden wir die strukturelle Variation der katalytisch aktiven Modelloberflächen – sowohl einkristallinen SAAs als auch geträgerten SAA-Nanopartikeln – vornehmen. Die Struktur der SAA-basierten Katalysatoren wird dabei gezielt verändert, etwa durch Anpassung der Art und Konzentration des aktiven Metalls, der Größe der SAA-Nanopartikel und der Verteilung des aktiven Metalls auf der Oberfläche der Nanopartikel. Ziel ist es, neue Einblicke auf atomarer Ebene in die zugrunde liegenden elementaren Oberflächenprozesse zu gewinnen und Struktur-Reaktivitäts-Beziehungen aufzustellen. In diesen Studien werden wir eine einzigartige Kombination oberflächensensitiver Methoden an wohldefinierten nanostrukturierten SAA-Modellkatalysatoren einsetzen: Rastertunnelmikroskopie zur strukturellen Charakterisierung der Modellkatalysatoren, Infrarotspektroskopie zur chemischen Identifizierung und in-operando Monitoring der während der Reaktion entstehenden Oberflächenspezies in einem variablen Druckbereich sowie Molekularstrahlmethoden für kontrollierte kinetische Studien. Die Ergebnisse dieser Forschung bieten großes Potenzial für die Entwicklung neuer Konzepte zum rationalen Design von SAA-basierten Oberflächen mit maßgeschneiderten katalytischen Eigenschaften.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen