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Katalysatoren sollen langlebiger werden

Forschende des Paul Scherrer Instituts haben herausgefunden, wie Katalysatoren altern. Dafür setzten sie hochmoderne Methoden zur Materialcharakterisierung und Datenaufnahme sowie Maschinelles Lernen ein. Die Ergebnisse könnten Katalysatoren optimieren und langlebiger machen.

PSI-Forscher Zirui Gao.
PSI-Forscher Zirui Gao. Bild: Paul Scherrer Institut/Markus Fischer

Forscher des Paul Scherrer Instituts (PSI) haben ein neues Verfahren entwickelt, mit dem sie genau und schneller als bisher erkennen können, wie Katalysatoren altern. Dabei verglichen sie zwei Proben, die das Spezialchemieunternehmen Clariant zur Verfügung gestellt hatte: bislang ungenutztes Katalysatormaterial (Vanadium-Phosphor-Oxide, VPO) und vier Jahre im industriellen Betrieb genutztes VPO.

Wie das PSI in einer Medienmitteilung berichtet, gewährte ein neues Tomografieverfahren den Blick in das chemische Innere von Katalysatormaterialien. Unter Hinzunahme einer lokalen Transmissionsspektroskopiemethode konnten die Wissenschaftler zusätzlich in jedem Volumenelement der Tomogramme die chemischen Eigenschaften des Materials zeigen: Elektronendichte, Vanadiumkonzentration und Oxidationsgrad des Vanadiums. „Im Grunde haben wir vierdimensionale Daten erhoben“, so Johannes Ihli, einer der Mitautoren.

Für jede der Proben hätte das Team eine reine Messzeit von einer Woche benötigt. Doch PSI-Forscher Zirui Gao gelang eine neue Form der Datenaufnahme, für die er einen zugehörigen Rekonstruktionsalgorithmus entwickelte. Dadurch konnten die Forscher die Messzeit auf zwei Tage verkürzen.

Wie erwartet zeigten die beiden Proben Unterschiede bei ihren Poren, an deren Oberfläche die Katalyse ablaufen kann. Auf molekularer Ebene konnten die Forscher nun erstmals Fehlstellen im Atomgitter belegen und deren genaue Lage bestimmen. „Zusammen mit unseren anderen Ergebnisse bestätigt dies eine bisherige Vermutung: dass nämlich diese Fehlstellen im Atomgitter als zusätzliche aktive Stellen für den Prozess der Katalyse dienen können“, so Gao.

Diese Anwendung, so das PSI, sei für Forschung und Industrie gleichermassen wichtig. „Unsere neuen, detaillierten Ergebnisse könnten Industrie-Unternehmen helfen, ihre Katalysatoren zu optimieren und langlebiger zu machen“, wird Zirui Gao, Erstautor der am Mittwoch veröffentlichten Studie, in der Medienmitteilung des PSI zitiert.

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