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Chemie: Veröffentlichung in Angewandte Chemie
Stickoxide, die als unerwünschte Nebenprodukte bei Verbrennungen entstehen, können mit porösen Katalysatormaterialien wieder in molekularen Stickstoff zurückgewandelt werden. Ein Chemikerteam der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) um Jun.-Prof. Dr. Jan Meisner hat die beteiligten Reaktionen untersucht und ein neues Simulationstool entwickelt. In der Fachzeitschrift Angewandte Chemie stellen sie dessen Anwendungspotenzial auch für neue Katalysatoren vor.
Auf Stickoxide (NOx), die beispielsweise in Verbrennungsmotoren von Autos bei hohen Temperaturen entstehen können, werden viele Tausend Todesfälle jährlich zurückgeführt. Sie stehen vor allem in Zusammenhang mit Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Kraftfahrzeuge müssen heute mit speziellen Katalysatoren ausgestattet sein, in denen durch die sogenannte Selektive Katalytische Reduktion (SCR) ein Großteil der Stickoxide zu ungefährlichem Stickstoff (N2) zurückreagiert.
In der Abgasreinigungen sind poröse Katalysatoren wie Zeolithe im Einsatz. Sie besitzen extrem große (innere) Oberflächen und komplexe aktive Zentren, an denen zahlreiche verschiedene Reaktionswege katalysiert werden können. Solche Zeolithe weisen Poren im Nanometerbereich (also von Milliardstel Metern Größe) auf, die wie molekulare Käfige wirken: Sie schließen die reagierenden Moleküle ein, so dass sie unmittelbar an den aktiven Zentren reagieren.
„Es gibt eine Vielzahl chemischer Reaktionen, die in diesen Poren ablaufen, welche alle verknüpft sind und miteinander in Konkurrenz stehen. Sie bilden Reaktionsnetzwerke mit Tausenden von Zwischenstufen. Viele Reaktionen kennen wir, aber es gibt oft völlig neue, unerwartete Mechanismen, welche wir oft nicht im Sinn haben“, so Jun.-Prof. Dr. Jan Meisner vom HHU-Institut für Physikalische Chemie. „In meiner Arbeitsgruppe haben wir durch die ‚periodische Nanoreaktor-Molekulardynamik‘ eine Methode entwickelt, um Reaktionsmechanismen auch ohne chemisches Vorwissen zu erkennen, so dass das Reaktionsnetzwerk autonom und automatisiert erkundet werden kann.“
Zur genauen Bestimmung von Reaktionsgeschwindigkeiten sind quantenmechanische Berechnungen unerlässlich. Diese sind jedoch sehr rechenzeitintensiv, so dass die Dynamik der reagierenden Atome und Moleküle nur für einen sehr kurzen Zeitraum simuliert werden kann. Mithilfe der „Nanoreaktor-Molekulardynamik“ (NMD) wird Molekülen ein zusätzlicher Energieschub gegeben, mit welchem mehr chemische Reaktionen in den Simulationen beobachtet werden können. Die HHU-Chemiker erweiterten diese Technik, um damit in porösen Materialien sehr seltene Reaktionen aufzuspüren sowie bisher unbekannte Mechanismen direkt zu beobachten.
Die Methode eröffnet einen neuen Blick auf katalytische Netzwerke: Anstatt einzelne Schritte isoliert zu betrachten, wird das gesamte Reaktionsnetzwerk sichtbar. Damit können auch Nebenreaktionen, Zwischenprodukte und komplexe Reaktionsmechanismen entdeckt werden.
Daniel Deißenbeck, Erstautor des nun in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie erschienenen Artikels: „Ein besonderes Merkmal unseres NMD‑Ansatzes ist seine Vorhersagekraft: Er erforscht den chemischen Raum selbstständig und ohne zusätzliche Annahmen, das heißt, er ‚findet‘ auch Reaktionen, an die wir gar nicht gedacht haben.“ Indem die Ergebnisse anschließend durch etablierte Methoden energetisch bewertet werden, gewinnen die Forscher aussagekräftige thermodynamische Daten für die gefundenen Mechanismen.
Angewandt haben die Düsseldorfer Chemiker diese Methode auf die SCR von Stickoxiden und deren Nebenreaktionen. Von besonderer Bedeutung ist dabei die Entstehung von Lachgas (N₂O), welche heute noch nicht vollständig aufgeklärt ist. Dieses potente Treibhausgas entsteht als ein unerwünschtes Nebenprodukt, es sollte möglichst vermieden werden. „Wir fanden eine radikalgetriebene Route, über die Lachgas entsteht, die in bisherigen Modellen nicht auftrat. Unsere Ergebnisse können möglicherweise dazu beitragen, emissionsärmere und effizientere Abgaskatalysatoren zu entwickeln“, erläutert Deißenbeck.
Neben der neuen Methode zur Erforschung von Reaktionsnetzwerken eröffnet die Düsseldorfer Arbeit vielfältige Anwendungen in der Katalyseforschung, etwa für die nachhaltige Chemie, emissionsarme Prozesse und das Design neuer Katalysatoren. Vor allem können so auch Reaktionen in anderen porösen Materialien untersucht werden, wie metallorganischen Gerüstverbindungen und auf Oberflächen. Meisner: „Langfristig kann unsere Methode dazu beitragen, Entwicklungszyklen in der Katalysatorforschung deutlich zu verkürzen, da potenziell relevante Reaktionspfade frühzeitig und systematisch identifiziert werden und so ein gezieltes Katalysatordesign möglich wird.“
Daniel Deißenbeck, Patrick Meier, Wassja A. Kopp, Anthony D. Debellis, Jan Meisner; Reaction Discovery in Porous Materials Using Periodic Nanoreactor Molecular Dynamics; Angew. Chem. Int. Ed. 2026, 65, e14074
DOI: 10.1002/anie.202514074
Daniel Deißenbeck, Patrick Meier, Wassja A. Kopp, Anthony D. Debellis, Jan Meisner; Entdeckung von Reaktionsmechanismen in porösen Materialien mittels periodischer Nanoreaktor-Molekulardynamik; Angew. Chem. 2026, 65, e14074
DOI: 10.1002/ange.202514074
Reaktionsnetzwerk der SCR. Molekulare Spezies sind durch Punkte dargestellt, die über Reaktionen (Li ...
Copyright: adaptiert aus Abb. 3 aus DOI: 10.1002/ange.202514074
Die Forschungsarbeit von Prof. Meisner und seinen Mitarbeitenden wurde als Titelgeschichte der Zeits ...
Copyright: Angewandte Chemie
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Wissenschaftler
Chemie, Energie, Physik / Astronomie, Umwelt / Ökologie, Verkehr / Transport
überregional
Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
Deutsch
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