Katalysatorforschung

Katalysatorforschung ist eine interdisziplinäre Wissenschaft, die sich mit der Erforschung, dem Verständnis, der Entwicklung und der Optimierung von Katalysatoren befasst. Ziel ist es, chemische Reaktionen schneller zu machen oder selektiver zu gestalten, ohne dass der Katalysator selbst verbraucht wird.

Katalysatoren unterteilen sich in heterogeneous (Festkatalyse), homogeneous (Homogene Katalyse) und enzymatische (Biokatalyse) Systeme. Weitere Teilgebiete umfassen Photokatalyse und Elektrokatalyse. Zentrale Fragestellungen betreffen die Aktivierungsorte und Mechanismen, die Aktivierungsenergie, die Aktivität, Selektivität und Stabilität der Katalysatoren sowie deren Deaktivierung durch Sinterung, Coking oder Leaching.

Methoden der Katalysatorforschung umfassen experimentelle Techniken wie Mikroskopie (TEM, SEM), Spektroskopie (XPS, IR, Raman), BET-Oberflächenmessungen und Röntgenbeugung (XRD) sowie operando- und in-situ-Untersuchungen. Weitere Ansätze sind isotopische Markierung, Reaktionskinetik und Mikrokinetik-Analysen. Computergestützte Methoden umfassen DFT-Rechnungen, Mikrokinetik-Modellierungen und datengetriebene Verfahren wie maschinelles Lernen zur Vorhersage von Eigenschaften und zur Beschleunigung der Katalysatorentwicklung.

Anwendungen liegen in der industriellen Synthese, Umweltkatalyse (Abgasreinigung, VOC-Abbau), Energietechnologien (Wasserstoffproduktion, Brennstoffzellen, CO2-Reduktion) sowie in der Feinchemie. Herausforderungen sind Katalysator-Deaktivierung, Kosten und Verfügbarkeit seltener Metalle, Langzeitstabilität und Skalierbarkeit.

Zukünftige Trends umfassen Single-Atom-Katalyse, nanostrukturierte und immobilisierte Katalysatoren, den Einsatz kostengünstiger Metalle sowie die Integration von KI-gestütztem Design, um nachhaltigere Prozesse zu ermöglichen.