Katalytische Reaktionsnetzwerke verstehen

Stickoxide, die als unerwünschte Nebenprodukte bei Verbrennungsprozessen anfallen, lassen sich mithilfe poröser Katalysatormaterialien zurück in molekularen Stickstoff umwandeln. Ein Chemikerteam der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) um Jun.-Prof. Dr. Jan Meisner hat die dabei ablaufenden Reaktionen detailliert untersucht und ein neues Simulationstool entwickelt. Die Forschenfden präsentieren nun dessen Anwendungspotenzial, das auch die Entwicklung neuartiger Katalysatoren unterstützt.

Stickoxide (NO_x​), die etwa in Verbrennungsmotoren bei hohen Temperaturen entstehen, werden jährlich mit vielen tausend Todesfällen in Verbindung gebracht, vor allem aufgrund von Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Um diese Belastung zu reduzieren, müssen Kraftfahrzeuge heute mit speziellen Katalysatoren ausgestattet sein. In diesen wird durch die Selektive Katalytische Reduktion (SCR) ein Großteil der schädlichen Stickoxide in ungefährlichen Stickstoff (N₂​) umgewandelt.

Neue Methode entschlüsselt komplexe Zeolith-Reaktionen

In der Abgasreinigung dienen poröse Zeolithe als Katalysatoren, deren nanometergroße Poren wie molekulare Käfige wirken. Diese schließen die reagierenden Moleküle ein und ermöglichen an extrem großen inneren Oberflächen Reaktionen an komplexen aktiven Zentren.

„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. „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.“

NMD macht verborgene Reaktionsnetzwerke sichtbar

Obwohl quantenmechanische Berechnungen für die Bestimmung von Reaktionsgeschwindigkeiten unerlässlich sind, begrenzt ihr hoher Rechenaufwand die simulierbare Zeitspanne massiv. Die „Nanoreaktor-Molekulardynamik“ (NMD) löst dieses Problem, indem sie Molekülen einen Energieschub verleiht und so mehr Reaktionen in kürzerer Zeit sichtbar macht. Die Chemiker der HHU erweiterten diese Technik gezielt, um in porösen Materialien selbst extrem seltene Reaktionen und bisher unbekannte Mechanismen direkt aufzuspüren. Statt isolierte Einzelschritte zu betrachten, macht diese Methode das gesamte katalytische Netzwerk inklusive aller Nebenreaktionen und Zwischenprodukte autonom zugänglich.

Ein wesentlicher Vorteil des NMD-Verfahrens liegt in seiner Fähigkeit, den chemischen Raum eigenständig und ohne vorab getroffene Annahmen zu explorieren. Durch die anschließende energetische Bewertung der Ergebnisse mittels etablierter Methoden gewinnen die Forscher präzise thermodynamische Daten für die identifizierten Mechanismen. Daniel Deißenbeck sagt dazu: „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.“

Klimaschutz im Fokus: Neue Radikal-Route der Lachgas-Entstehung entdeckt

Die Düsseldorfer Chemiker:innen wendeten ihre Methode auf die SCR von Stickoxiden sowie deren Nebenreaktionen an, wobei insbesondere die bisher ungeklärte Bildung des potenten Treibhausgases Lachgas (N₂​O) im Fokus stand. Da dieses unerwünschte Nebenprodukt gezielt vermieden werden soll, lieferte die Simulation entscheidende neue Ansätze zur Optimierung von Abgaskatalysatoren.

„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.

Automatisierte Analyse optimiert künftiges Katalysatordesign

Die Forschungsarbeit aus Düsseldorf eröffnet über die neue Methode hinaus vielfältige Anwendungen für eine nachhaltige Chemie und emissionsarme Prozesse. Das Verfahren ermöglicht es, komplexe Reaktionen in diversen porösen Materialien, etwa in metallorganischen Gerüstverbindungen oder auf Oberflächen, systematisch zu untersuchen und so das Design neuer Katalysatoren gezielt voranzutreiben.

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.“

Quelle

Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (03/2026)