Eine neue Röntgenstudie bietet bislang unerreichte Möglichkeiten zur Analyse von Katalysatoren und anderer Materialien mit einer stark von Poren geprägten Struktur. Die Arbeit markiert damit einen wichtigen Schritt hin zu maßgeschneiderten porösen Materialien und kann damit zur Einsparung von Emissionen und Rohstoffen in einer nachhaltigeren Chemie beitragen, wie das Team um Thomas Sheppard vom Karlsruhe Institut für Technologie (KIT) im Fachblatt „Advanced Science“ berichten. An der Studie sind Forscherinnen und Forscher vom Paul Scherrer Institut in der Schweiz, vom Forschungszentrum MAX IV in Schweden, von den Universitäten Hamburg und Leipzig, vom KIT und von DESY beteiligt.

Poröse Materialen haben vielfältige technische Anwendungen und sind auch in der Natur weit verbreitet. Die dreidimensionale Porenstruktur dieser Materialen kann man sich dabei wie einen Schwamm vorstellen. Das Porensystem bestimmt maßgeblich die physikalischen Eigenschaften des Materials und ermöglicht eine große Oberfläche, auf der sich Stoffe anlagern (Adsorption) und chemische Reaktionen stattfinden können. So haben beispielsweiße einige technische Katalysatoren oder Adsorptionsmaterialen in einem Gramm eine Oberfläche, die der Fläche eines Fußballfeldes entspricht.

Neben der großen Oberfläche spielen auch der Porendurchmesser und die Verbindung der einzelnen Poren untereinander zu einem größeren Porennetzwerk eine entscheidende Rolle für die physikalisch-chemischen Eigenschaften, insbesondere für den Transport von Molekülen innerhalb des Porensystems, was man als Stofftransport bezeichnet. Die Stofftransporteigenschaften eines Katalysators sind entscheidend für seine Leistungsfähigkeit und ein wichtiger Designparameter auf der Suche nach besseren Katalysatormaterialien, vor allem im industriellen Hinblick. Da der Großteil aller industriellen chemischen Prozesse an einem gewissen Punkt in Kontakt mit einem Katalysator kommt, haben schon kleine Verbesserung der Effizienz einen großen Einfluss auf beispielsweise die benötigte Prozessenergie und damit verbundene Emissionen von Treibhausgasen oder unerwünschten Nebenprodukten. Somit kann die Optimierung der Porenstruktur einen wichtigen Beitrag zu nachhaltigeren chemischen Prozessen leisten.

Die Herstellung von Materialien mit angepassten Porenstrukturen erfordert jedoch häufig komplexe Synthesemethoden, die oft auf Erfahrungen beruhen und nicht im Detail verstanden sind. Ob und wie sich die Porenstruktur während des Betriebs ändert, lässt sich zudem meist nur durch einen Vorher-Nachher-Vergleich bestimmen, aber nicht live im laufenden Betrieb verfolgen. Das wäre jedoch wichtig, um das Porensystem zu optimieren.

Hier kommen Röntgenquellen wie PETRA III bei DESY ins Spiel: Mit moderner Röntgenmikroskopie lassen sich komplexe Porenstrukturen untersuchen, die typischerweise in Längenskalen von Nanometern (nm, millionstel Millimeter) bis Mikrometern (µm, tausendstel Millimeter) vorliegen. Eine dieser modernen Methoden nennt sich Röntgen-Ptychographie und kann sowohl in 2D als Röntgen-Nanomikroskopie oder in 3D als Röntgen-Nanotomographie an Synchrotron-Strahlenquellen wie PETRA III durchgeführt werden. Die Röntgen-Ptychographie zeichnet sich durch eine hohe Auflösung aus und kann noch 50 nm kleine Details bei Probendurchmessern von rund 50 µm erkennen. Zusätzlich dazu kann sie in der tomographischen Anwendung eine quantitative 3D-Abbildung der Elektronendichte einer Probe liefern.

Diese Technik wurde nun verwendet um die Veränderung der Porenstruktur eines Katalysators während der sogenannten Kalzinierung zu untersuchen. Die Kalzinierung ist typischerweise der abschließende Schritt in der Herstellung poröser Materialien. Dazu wurden zunächst zusammen mit Forscherinnen und Forschern bei DESY das Katalysatormaterial per 2D-Röntgen-Nanomikroskopie untersucht. Dabei wurde ein Nanoreaktor verwendet, in welchem die Temperatur und Gasatmosphäre genau kontrolliert werden können. In diesen Versuchen ließ sich die Änderung des Katalysators von Raumtemperatur bis 800 Grad Celsius bei verschieden Gasbedingungen nahezu in Echtzeit verfolgen. Die 2D-Röntgen-Nanomikroskopie zeigt Änderungen der Oberflächenform (Morphologie). Da das Porensystem und die Probe allerdings eine 3D Struktur haben, können die Änderungen nur eingeschränkt in 2D Abbildungen quantifiziert werden.

Für die Quantifizierung wurden daher ergänzende Röntgen-Nanotomographie-Messungen zusammen mit Forscherinnen und Forschern des Paul Scherrer Instituts (PSI) in der Schweiz durchgeführt. Dabei wurden identische Partikel des Katalysators vor und nach der Kalzinierung untersucht. Diese Tomogramme dienten dazu, die Porenstruktur der Katalysatoren zu beschreiben und die zuvor bereits beobachteten Änderungen daran zu quantifizieren. Die aus der Analyse der Tomogramme erhaltenen Informationen können direkt für komplexe Modellierungen des Stofftransports verwendet werden. Dies ist eine wichtige Basis, um die Porenstruktur solcher Materialien zu optimieren.

Zusammen ermöglichen die verwendeten Verfahren ein viel detaillierteres Verständnis der Evolution von Porenstrukturen als bisher. Dies ist besonders für die Entwicklung neuer Katalysatoren in der chemischen Industrie interessant, aber auch im Bereich von Adsorptionsmaterialien, Membranen, Isolationsmaterialien oder Batterien sind solche detaillierten Informationen über die 3D-Struktur entscheiden.

 

Originalveröffentlichung:
Evolution of Hierarchically Porous Nickel Alumina Catalysts Studied by X-ray Ptychography; Sebastian Weber, Ana Diaz, Mirko Holler, Andreas Schropp, Mikhail Lyubomirskiy, Ken L. Abel, Maik Kahnt, Arno Jeromin, Satishkumar Kulkarni, Thomas F. Keller, Roger Gläser, Thomas L. Sheppard; „Advanced Science“, 2022; DOI: 10.1002/advs.202105432