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Gerhard Ertl und die Analyse katalytischer Reaktionen

Obwohl moderne Technik ohne Katalysatoren kaum möglich wäre, blieb es lange ein Geheimnis, was genau eigentlich während einer katalytischen Reaktion geschieht. Der Berliner Physiker Gerhard Ertl aber konnte durch seine Untersuchungen in der Oberflächenchemie entscheidend dazu beitragen, dass diese Vorgänge durchschaubar wurden und bekam dafür im Jahr 2007 den Nobelpreis für Chemie.

Katalysatoren werden nicht nur eingesetzt, um Schadstoffe aus Autoabgasen herauszufiltern, sie beschleunigen zum Beispiel auch die Aufspaltung von Erdöl in Gase, Benzin und Kerosin. Dabei sind es bestimmte Metalle, die das „Cracken“ erleichtern oder überhaupt erst möglich machen. Gerhard Ertl entwickelte neue experimentelle Methoden, um erstmals die chemischen Prozesse untersuchen zu können, die bei solchen katalytischen Reaktion an der Grenzfläche von Gasen und Festkörpern ablaufen.

Es sind Metalloberflächen, die als Katalysatoren eingesetzt werden, sei es Platin, um die Schadstoffe in Autoabgasen zu reduzieren oder zum Beispiel Eisen, das als Katalysator für die Synthese von Ammoniak in der Düngemittelproduktion eingesetzt wird.


 

Während einer katalytischen Reaktion treffen Gasmoleküle auf eine feste Oberfläche und lösen dabei Wechselwirkungen aus, die dazu führen können, dass sich die Atome an der Oberfläche in Einzelteile zerlegen oder ihre chemischen Eigenschaften verändern. Das geschieht, wenn die Gasmoleküle von der festen Oberfläche adsorbiert, also angesaugt werden. Auch wenn ein bereits adsorbiertes Gasmoleküle auf ein neues adsorbiertes Molekül trifft, entstehen weitere chemische Reaktionen.

Diese Vorgänge beobachtete Gerhard Ertl an Einatomen, deren Beschaffenheit genau bekannt ist – im Gegensatz zu realen Katalysatoroberflächen, die weitere Fremdatome enthalten. Dazu schuf er eine Vakuumumgebung bei sehr niedrigen Temperaturen, um die Bewegungen der Teilchen zu verlangsamen, und setzte dann die Raster-Mikroskopie ein, mit deren Hilfe er die Veränderungen bestimmen konnte, die, in Abhängigkeit von der Temperatur, durch die Adsorption an den Oberflächen hervorgerufen werden.

So dokumentierte er zunächst, dass und wie Sauerstoffmoleküle bei einer Adsorption auf Platin in Atome zerlegt werden. In einem zweiten Schritt dann gab er Kohlenmonoxid hinzu und zeigte, wie sich in der Reaktion mit den zuvor entstandenen Sauerstoffatomen Kohlendioxid bildet und auch sofort vom Platin ablöst. Damit hatte er genau den Vorgang untersucht, wie er sich auch in einem Autokatalysator abspielt.

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