--- title: "Forscher vom Fritz-Haber-Institut und MPI untersuchen CuAl2O3-Katalysator operando-TEM in kleinem Reaktor; frustrierten Phasenübergang treibt Aktivität und Stabilität" sdDatePublished: "2026-04-28T05:17:00Z" source: "https://www.chemie.de/news/1188573/der-katalysator-der-nie-zur-ruhe-kommt.html" topics: - name: "chemicals" identifier: "medtop:20000217" - name: "scientific research" identifier: "medtop:20000735" - name: "scientific innovation" identifier: "medtop:20000736" - name: "materials science" identifier: "medtop:20000764" - name: "environmental policy" identifier: "medtop:20000423" locations: - "Ulm" - "Stuttgart" - "Munich" - "Konstanz" - "Berlin" - "Hamburg" - "Freiburg (im Breisgau)" - "Heidelberg" - "Germany" - "Mannheim" - "Friedrichshafen" - "Würzburg" - "Weil am Rhein" - "Tübingen" - "Switzerland" - "Karlsruhe" --- Forscher vom Fritz-Haber-Institut und MPI untersuchen CuAl2O3-Katalysator operando-TEM in kleinem Reaktor; frustrierten Phasenübergang treibt Aktivität und Stabilität Holen Sie sich die Chemie-Branche in Ihren Posteingang Der Katalysator, der nie zur Ruhe kommt Al₂O₃ wechselt im Betrieb ständig zwischen zwei Strukturzuständen - das könnte der Schlüssel seiner hohen Aktivität sein Um seine Funktion genau zu verstehen, untersuchten Forschende der Abteilung Anorganische Chemie des Fritz-Haber-Instituts und des Max-Planck-Instituts für chemische Energiekonversion den Cu Al2O3-Katalysator, der in der Industrie standardmäßig für die Produktion von Methanol eingesetzt wird. Sie fanden heraus, dass die dynamische und temperaturempfindliche Wechselwirkung zwischen Cu und ZnO ein Schlüsselfaktor für die Funktion des Katalysators ist – was neue Impulse für eine gezielte Verbesserung der katalytischen Methanolproduktion gibt. Schematische Darstellung der chemischen und morphologischen Veränderungen, die der Katalysator bei Temperaturänderungen durchläuft. Die Skizze auf der linken Seite zeigt den reversiblen Umwandlungsprozess, der sich aus der mikroskopischen Untersuchung auf der rechten Seite ableitet. Methanol (CH3OH) ist aktuell eine der wichtigsten Chemikalien der Welt. Es wird zum Beispiel als Lösungsmittel, bei der Herstellung von Kunststoffen und Farben oder als Treibstoff verwendet. Aufgrund seiner Rolle als Schlüsselprodukt für die chemische Industrie und eine klimaneutrale Energieversorgung ist Methanol von enormer industrieller und ökologischer Bedeutung. Die Herstellung von Methanol ist ein großtechnischer Prozess, bei dem ein Synthesegas aus Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO₂) und Wasserstoff (H₂) in einem Reaktor unter Verwendung von Katalysatoren umgewandelt wird. Die Methanolsynthese gilt daher auch als vielversprechender Ansatz für das Recycling von eingefangenem CO₂. Seit den 1960er Jahren werden zur Methanolsynthese in der Industrie Katalysatoren aus Kupfer-Zink-Aluminiumoxid (Cu Al₂O₃) eingesetzt. Es hat sich gezeigt, dass hohe Drücke und moderate Temperaturen die Reaktion begünstigen. Wie Licht MoS2-Dünnschichten katalytisch aktiviert Preiswerte Katalysatoren die Produktion von Wasserstoff möglich Dennoch ist bislang unklar, wie sich die Katalysatoren unter verschiedenen Reaktionsbedingungen – also „bei der Arbeit“ oder „operando“ – im Detail verhalten und wie sie sich während der Reaktion verändern und entwickeln. Insbesondere sind sich Forschende noch immer nicht im Klaren über die Art und den Ort der synergistischen Effekte zwischen Cu und ZnO und darüber, wo genau sich die aktiven Stellen des Katalysators befinden. Kurz gesagt, ist die Frage: Warum ist genau die Kombination von Cu und ZnO für die Katalyse so gut geeignet? Obwohl bekannt ist, dass die hohe Aktivität von Cu Al₂O₃-Katalysatoren auf der Synergie zwischen Cu und ZnO beruht, sind die zugrunde liegenden chemischen Prozesse, einschließlich der Wechselwirkung der Katalysatorkomponenten und der Veränderungen der Katalysatorstruktur unter Reaktionsbedingungen, noch nicht vollständig geklärt. In dieser Studie wird mithilfe deroperando-Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersucht, wie sich der Cu Al₂O₃-Katalysator „bei der Arbeit“ entwickelt. Die Forschenden betrachten Cu Al₂O₃-Nanopartikel in einem kleinen Reaktor, in dem sie die Reaktionsbedingungen genau anpassen können. Sie beobachten dynamische Strukturveränderungen des Cu Al₂O₃-Katalysators während der Aktivierung und Hydrierung von CO₂ – Schlüsselprozessen bei der Methanolsynthese. Die experimentellen Daten zeigen, dass die Oberfläche des Katalysators hochdynamisch ist. Reversible Strukturveränderungen entstehen in Abhängigkeit von der Temperatur: Beispielsweise öffnen sich ZnOₓ-Schichten auf der Katalysatoroberfläche bei Reaktionstemperaturen über 220 °C, sodass Cu-Oberflächen für die katalytische CO₂-Aktivierung frei werden. Beim Abkühlen bilden sich die ZnOₓ-Schichten wieder, wobei ihre Dicke von der Zusammensetzung des durch den Reaktor strömenden Gases abhängt. Besonders interessant: die Forschenden formulieren eine Hypothese zu einem ganz besonderen Zustand des Katalysators, einem „frustrierten Phasenübergang“, bei dem der Katalysator ständig und reversibel seine Struktur verändert. Forschende bezeichnen solche Zustände als „frustriert“, da sie niemals zur Ruhe kommen, sondern quasi in einer stetigen Umwandlung zwischen zwei Zuständen „gefangen“ sind, da bestimmte physikalische und chemische Antriebskräfte nicht befriedigt werden können. Im beobachteten frustrierten Zustand wandeln sich während des Betriebs des Katalysators CuZn-Oberflächenbereiche und Cu-ZnO-Grenzflächenstellen auf der Katalysatoroberfläche kontinuierlich ineinander um. Dieses dynamische Gleichgewicht ist wahrscheinlich entscheidend, vielleicht sogar der Schlüssel für die hohe Aktivität und Stabilität des Katalysators. Die Idee hinter der Studie war, die synergistischen Effekte von Cu und ZnO bei der katalytischen CO2-Hydrierung und der Methanolsynthese zu beleuchten. Die Studie beantwortet einige Aspekte dieser Frage: Sie zeigt deutlich, dass die hohe Leistungsfähigkeit von Cu Al₂O₃-Katalysatoren nicht auf einer einzigen aktiven Phase beruht. Vielmehr unterliegt der Katalysator ständigen Strukturveränderungen, wobei seine Aktivität stark von der dynamischen Wechselwirkung zwischen reversibel gebildeten CuZn-Bereichen und Cu-ZnO-Grenzflächen abhängt. Dieser „frustrierte Phasenübergang” ist für die Funktion des Katalysators von zentraler Bedeutung und liefert neue Gestaltungsprinzipien für Katalysatoren der nächsten Generation – für die Methanolsynthese und verwandte Prozesse. Maxime Boniface, Thomas Götsch, Jinhu Dong, Jutta Kröhnert, Elias Frei, Annette Trunschke, Robert Schlögl, Beatriz Roldan Cuenya, Thomas Lunkenbein; "Dynamics of a Cu Al2O3 catalyst revealed by operando transmission electron microscopy during CO2 hydrogenation"; Nature Catalysis, 2026-4-1 Kurze Attosekunden-Röntgenblitze ermöglichen neue Bildgebung Durchbruch ermöglicht hochauflösende Momentaufnahmen ultraschneller Prozesse wie chemischer Reaktionen mit bisher unerreichter zeitlicher Präzision Weitere News aus dem Ressort Wissenschaft Polarluft und Tee: TUW-Erfindung macht Umweltschadstoffe messbar Feinstaub in der Luft oder Nanopartikel im Wasser – mit einer verblüffenden neuen Technologie der TU Wien lassen sich winzige Mengen verschiedenster Stoffe in kurzer Zeit nachweisen UFZ-Team entwickelt Verfahren zur Entfernung von Perfluorbutansäure aus Wasser Nanofiltration: Wasser wirksam von Glyphosat befreien Nanopartikel ermöglichen neue Kombinationen bisher nicht mischbarer Metalle Durchbruch bei der Simulation komplexer Quantensysteme Neue Methode überwindet grundlegende Auflösungsgrenzen und gibt womöglich Einblicke in die Hochtemperatur-Supraleitung Kurzschlüsse in Festkörperbatterien: Ursache endlich bewiesen Max-Planck-Forscher haben den Dendrit-Mechanismus mit Kryo-Elektronenmikroskopie aufgeklärt Wenn Moleküle reagieren: Neue Software zeigt biologische Prozesse in Bewegung KIMMDY könnte künftig helfen, biologische und chemische Prozesse besser zu verstehen Die neuen Triblock-Copolymere können hitzeempfindliche Enzyme einkapseln – ein Ansatz für den Abbau von Mikroplastik Neue KI-Methode erfasst weitreichende atomare Wechselwirkungen in komplexen Molekülen Google DeepMind, BIFOLD und die TU Berlin gehen einen zentralen Engpass bei atomistischen Simulationen an Forscher zeigen, wie einfache Magnete zur Lösung eines komplexen Problems beitragen können Magnetfelder helfen bei der Rückgewinnung wertvoller Metalle aus Abfällen Vom Labor zur Industrie: 3D-Druck beschleunigt die Zukunft der Lithiumbatterien Die Übersichtsarbeit beleuchtet das Potenzial, die Fallstricke sowie die Perspektiven der Rolle des 3D-Drucks bei der Herstellung von Lithiumbatterien Reifenabrieb macht ein Drittel des Meeresplastiks aus: Forscher und Start-up entwickeln Lösungen gegen Mikroplastik Blasentechnologie in Regenklärbecken und ein Manta-inspirierter Waschmaschinenfilter sollen Mikroplastik früh abfangen Übersehener Effekt: Halbleiterindustrie setzt auf falsche Materialien Neues KI-System liest Zahlen aus Fachtexten und entlastet Forschende von Routinearbeit Framework Quinex strukturiert quantitative Daten automatisch und soll helfen, die wachsende Datenflut zu beherrschen Tiefensolen im Norddeutschen Becken könnten eine der größten Lithiumressourcen Europas sein Verbundprojekt RoLiXX will Extraktionsverfahren entwickeln, die auch unter hochsalinaren Bedingungen umweltverträglich funktionieren Zufallsfund im Labor bringt Kieler Start-up NATO-Förderpreis Wie die Uni Kiel Forschende von der Erfindermeldung bis zur Ausgründung begleitet Grüner Wasserstoff nur aus Sonne und Wasser - ohne Elektrolyseure und ohne Strom Photreon, ein Ausgründungsprojekt aus dem KIT, entwickelt ein Photoreaktorpaneel für die direkte solare Wasserstofferzeugung Izatt-Christensen Award 2026 für Frank Würthner Würzburger Chemieprofessor erhält höchste internationale Auszeichnung, die es im Bereich der supramolekularen Chemie gibt Sweet-LOHC: Die nächste Generation chemischer Wasserstoffspeicher Hoffnungsträger für das Rheinische Revier Warum Wassertropfen Graphen „sehen“ – und es doch nicht zeigen Holen Sie sich die Chemie-Branche in Ihren Posteingang Mit dem Absenden des Formulars willigen Sie ein, dass Ihnen die LUMITOS AG den oder die oben ausgewählten Newsletter per E-Mail zusendet. 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