Reaktionsflächen

Reaktionsflächen bezeichnen die Oberflächen, an denen chemische Reaktionen stattfinden. In der heterogenen Katalyse sind es meist Festkörperoberflächen, z. B. von Metallen, Oxiden oder porösen Materialien, auf denen Reaktanten adsorbieren und zu Produkten reagieren. Die Struktur der Fläche, ihr chemischer Charakter sowie Verluste durch Desorption bestimmen maßgeblich den Reaktionsweg und die Geschwindigkeit.

Wichtige Konzepte umfassen Adsorption, aktive Zentren und Oberflächenbereich. Die Oberfläche bestimmt die Anzahl möglicher Kollisionspartner. Eine größere spezifische Oberfläche, oft durch Porosität oder Nanostrukturen, erhöht die Reaktionswahrscheinlichkeit. Defekte, Schritte und verschiedene Kristallflächen liefern unterschiedliche aktive Zentren.

Zu den typischen Reaktionsmechanismen gehören der Langmuir-Hinshelwood-Mechanismus, bei dem beide Reaktanten auf der Oberfläche adsorbiert sind und anschließend reagieren, sowie der Eley-Rideal-Mechanismus, bei dem einer der Reaktanten direkt aus der Gasphase mit einem adsorbierten Teil reagiert. Die Reaktionskinetik hängt von Adsorptionsisothermen, Temperatur und Druck ab.

Die Charakterisierung von Reaktionsflächen umfasst Verfahren zur Bestimmung der spezifischen Oberfläche (BET), Adsorptionsmessungen, In-situ-Spektroskopie und Mikroskopie. Diese Informationen helfen, Aktivität, Selektivität und Stabilität von Katalysatoren zu verstehen und zu optimieren.

Anwendungsgebiete reichen von industrieller Katalyse und Elektrochemie bis hin zu Sensorik. Herausforderungen sind die Deaktivierung durch Kontaminationen von Fremdstoffen, Sinterung oder Fouling. Reaktionsflächendesign zielt darauf ab, aktive Zentren zu maximieren, Transportwege zu minimieren und Stabilität zu erhöhen.