Methanol ist einer der wichtigsten Grundstoffe in der Petrochemie: Rund 110 Mio. Tonnen werden jährlich weltweit produziert und zu Zehntausenden verschiedenen Produkten weiterverarbeitet, etwa Kunststoffe, Waschmittel, Arzneimittel und Kraftstoffe. So etabliert die Herstellung ist, so rätselhaft waren bisher allerdings die zugrunde liegende Funktion und der chemische Zustand der Bestandteile des Katalysators (Kupfer, Zinkoxid und Aluminiumoxid) während der Reaktion.
Einem Team um den österreichischen Physiker Peter Amann von der Universität Stockholm, dem auch Forscher der Universität Innsbruck und der Technischen Universität (TU) Wien angehörten, ist es nun erstmals gelungen, die Oberfläche eines Kupfer-Zink-Katalysators unter realen Bedingungen – also bei relativ hohem Druck und Temperaturen – bei der Reduktion von Kohlendioxid zu Methanol zu beobachten. Das berichten sie im Fachjournal "Science“.
Tiefe Einblicke
Zum Einsatz kam dabei ein unter Federführung von Amann – er ist mittlerweile zum deutschen Oberflächenanalytik-Unternehmen Scienta Omicron gewechselt – entwickeltes Instrument für die Photoelektronenspektroskopie in Kombination mit der Forschungslichtquelle PETRA III, einer der weltweit hellsten Röntgenquellen am Deutschen Elektronen Synchrotron (DESY) in Hamburg. Damit ließ sich die Katalysatoroberfläche bei hohem Druck untersuchen und die Forscher konnten direkt beobachten, was bei der Reaktion passiert.
„Chemische Reaktionen auf Oberflächen unter realen Bedingungen zu studieren ist experimentell sehr herausfordernd. Die neuentwickelte Anlage erlaubt uns tiefe Einblicke in komplexe Phänomene der Methanol-Synthese zu nehmen“, erklärte Amann gegenüber der APA. So konnten die Forscher unterschiedliche Verhaltensweisen der Katalysatoroberfläche feststellen, je nach Anteil von Kohlenmonoxid und Kohlendioxid im Gasgemisch. Sie zeigten weiters, dass direkt an der Katalysator-Oberfläche Zink mit Kupfer legiert ist und dadurch spezielle atomare Stellen entstehen, an denen sich Methanol aus Kohlendioxid bildet. Die bessere Kenntnis der Vorgänge bei der Methanolsynthese sind ein Ansatzpunkt für die Optimierung bestehender und die Suche nach neuen, besseren Katalysatoren.