Katalyseforschung

Die unerschöpfliche Kraft des Sonnenlichts bildet die wichtigste Energiequelle unseres Planeten. Sie steht nicht nur am Anfang aller Nahrungsketten, sondern hat im Lauf von Jahrmillionen auch sämtliche Treibstoffe auf Kohlenstoffbasis hervorgebracht. Denn ohne Sonnenlicht gäbe es keine Photosynthese – jenen biochemischen Prozess in Pflanzen, der zum Aufbau organischer Materie führt. Eine entscheidende Rolle bei der Photosynthese aber spielt die Katalyse¹.

Katalysatoren beschleunigen chemische Reaktionen, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Traditionell unterscheidet man zwei Arten katalytischer Prozesse: homogene, bei denen der Katalysator in derselben Phase – gasförmig, flüssig oder fest – vorliegt wie die mitei­nander reagierenden Stoffe, sowie heterogene, wenn dies nicht der Fall ist. Viele natürliche Katalyseprozesse sind homogen. So beschleunigen gasförmige Chlorradikale die Zersetzung von Ozon in der Stratosphäre. Heterogene Vorgänge, bei denen etwa ein metallischer Feststoff mit Gasen wechselwirkt, dienen hingegen unter anderem zur Produktion von Düngemitteln oder zur Abgasreinigung.

War Katalyseforschung früher auf das Prinzip von Versuch und Irrtum angewiesen, so ermöglichen es ausgefeilte Ana­lyse­instrumente und leistungsfähige Rechnersysteme heute, die Wirkungsweise eines Katalysators unter realen Bedingungen zu simulieren und so im Detail zu verstehen. Die Grenzen zwischen homogenen, he­tero­genen sowie Biokatalysatoren verwischen dabei immer mehr. Gleichwohl lassen sich nur wenige katalytische Systeme bis hinunter auf das Molekülniveau exakt beschreiben. Insbesondere Reaktionsgeschwindigkeiten sind schwer theoretisch vorherzusagen; schon kleinste Unterschiede in den Geschwindigkeiten konkurrierender Prozesse entscheiden darüber, ob eine Folge chemischer Reaktionen das gewünschte Produkt liefert. Zudem verstehen wir immer noch nicht genau, welche Rolle etwa Lösungsmittelmoleküle bei Katalysen in homogener flüssiger Phase spielen. Auch über die dynamischen Eigenschaften der Katalysatoren selbst ist bislang noch zu wenig bekannt.

BIOLOGIE ALS INSPIRATION

Computergestützte Verfahren, mit denen sich Struktur und Eigenschaften von Molekülen auf quantenmechanischer Basis berechnen lassen, können Abhilfe schaffen². Ausgeklügelte numerische Methoden erlauben die Simulation einer Fülle von Reaktionen auf unterschiedlichen Zeit- und Größenskalen. Solche Ansätze werden uns in Zukunft helfen, die Eigenschaften neuer, mutmaßlich katalytisch wirkender Substanzen vorherzusagen.