Ein internationales Forscherteam hat erstmals die flüchtigen Zwischenstufen beobachtet, die sich bilden, wenn Kohlenmonoxid auf einer heißen Ruthenium-Oberfläche, einem einfachen Katalysator, oxidiert. Die Wissenschaftler, unter Ihnen Forscher von der Universität Hamburg und DESY, nutzten dafür ultrakurze Röntgenblitze des Röntgenlasers LCLS am Forschungszentrum SLAC in Kalifornien. Dabei erhitzte ein optischer Laserpuls zunächst die Ruthenium-Oberfläche und aktivierte so die absorbierten Kohlenmonoxid-Moleküle und Sauerstoff-Atome. Mit Röntgenabsorptionsspektroskopie konnte das Team dann ermitteln, wie sich die elektronische Struktur der beteiligten Sauerstoffatome veränderte,während sich die Kohlendioxid-Moleküle bildeten- ein Vorgang wie er in ähnlicher Form täglich in jedem Autokatalysator abläuft. . Die beobachteten Übergangszustände stimmen mit quantenchemischen Berechnungen gut überein.

Überraschend war jedoch, wie viele Reaktionspartner in einen Übergangszustand aktiviert wurden – und ebenso überraschend war die Entdeckung, dass nur ein kleiner Bruchteil davon anschließend tatsächlich stabile CO₂-Moleküle bildet. „Es ist so, als wenn man Murmeln einen Berg hochschießt und die meisten, die es bis oben geschafft haben,  rollen einfach wieder auf der gleichen Seite herunter“, sagt Anders Nilsson, Professor am SLAC/Stanford SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis und an der Stockholm University, der das Forschungsprojekt geleitet hat. 

Freie-Elektronen-Laser ermöglichen die Zeitauflösungen von unter 100 Femtosekunden, die für die direkte Beobachtung eines solchen Übergangszustands („transition state“) bei chemischen Reaktionen notwendig sind. Solche Untersuchungen sind eine zentrales Forschungsthema im Hamburger Exzellenzcluster „Center for Ultrafast Imaging“ (CUI), an dem die Universität Hamburg, European XFEL, EMBL und DESY beteiligt sind. Die Gruppe von Wilfried Wurth am Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) ist im Rahmen ihrer CUI-Aktivitäten an diesem Projekt beteiligt. Für Wilfried Wurth, der auch wissenschaftlicher Leiter von FLASH ist, sind die Experimente bei LCLS, die gleichzeitig einen „benchmark“ für die quantenchemischen Rechnungen darstellen, „ein erster Schritt auf dem Weg zu einem „molecular movie“, bei dem man einem Katalysator unter realistischen Bedingungen bei der Arbeit zuschaut“. Experimente dieser Art, bei denen nicht nur die Moleküle beobachtet werden sondern auch die dynamischen Veränderungen der aktiven Katalysatoroberfläche mit einbezogen werden, sollten in Zukunft mit dem Europäischen Röntgenlaser European XFEL möglich werden, der derzeit in Hamburg entsteht, so Wurth.

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