Rohstoffe nachhaltiger nutzen

Die experimentelle Aufklärung der Strukturen an der Grenzfläche zwischen einem arbeitenden Katalysator und den reagierenden Molekülen ist der Schlüssel zu einem grundlegenden Verständnis der heterogenen Katalyse. Forscher vom Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft haben das Schwingungsspektrum von Vanadiumpentoxid, einem wichtigen Katalysator für die Synthese wertvoller Produkte durch die Reaktion organischer Moleküle mit Sauerstoff in der Gasphase, neu zugeordnet und konnten so die Zentren aufklären sind an der Aktivierung des Sauerstoffmoleküls und der Oxidation von Kohlenwasserstoffen beteiligt. In der Kristallstruktur von Vanadiumpentoxid werden drei verschiedene Arten von Sauerstoffatomen dadurch unterschieden, wie sie benachbarte Vanadiumatome verbinden. Die mittels Raman-Spektroskopie gemessenen Schwingungsspektren des Oxids unterscheiden sich, wenn die Sauerstoffatome mit der regulären Atommasse 16 gegen das schwerere Sauerstoffisotop mit der Masse 18 ausgetauscht werden. Die Forscher haben nun die Raman-Spektren für die Fälle simuliert, in denen entweder nur eines der drei vorliegt Alle drei Positionen im Festkörper sind mit einem schwereren Sauerstoffatom besetzt. Durch den Vergleich berechneter Spektren mit Spektren, die in Gegenwart von isotopenmarkiertem Sauerstoff gemessen wurden, zeigte das Team des Fitz-Haber-Instituts, welches der drei verschiedenen Sauerstoffatome im Gitter des Katalysators mit der Gasphase reagiert. Aufgrund der wohldefinierten Struktur des Feststoffs und der Tatsache, dass die Untersuchungen unter realistischen Katalysebedingungen durchgeführt wurden, waren experimentell gesicherte Rückschlüsse auf den Einfluss der Reaktionsbedingungen bei der Oxidation von Propan auf die Struktur des Arbeitskatalysators möglich. Die Art des Sauerstoffatoms und ob nur die Oberfläche oder auch Zentren in tieferen Schichten des Festkörpers an der Reaktion beteiligt sind, hängt von der Temperatur und der chemischen Zusammensetzung der Gasphase ab. Diese Informationen sind wichtig, da verschiedene Sauerstoffspezies die Oberflächenreaktion entweder zu wertvollen Oxidationsprodukten oder zu einer vollständigen Verbrennung des Kohlenwasserstoffs zu Kohlendioxid lenken. Es wurde festgestellt, dass nur bei sehr hohen Temperaturen und unter stark reduzierenden Bedingungen Sauerstoffatome im Gitter des Katalysators gegen Sauerstoffatome aus der Gasphase ausgetauscht werden. Unter Bedingungen, bei denen der Katalysator hochwertige Reaktionsprodukte wie Propylen oder Oxygenate produziert, ist dies kaum der Fall und erst nach langer Betriebszeit messbar. Dies bedeutet, dass etablierte mechanistische und konstruktive Konzepte in der Oxidationskatalyse überdacht werden müssen, um eine nachhaltige Nutzung der Rohstoffe durch Vermeidung ihrer vollständigen Verbrennung zu Kohlendioxid zu erreichen.