Katalyse: Eine 30 Jahre alte Erklärung ist widerlegt
Bei der Fischer-Tropsch-Synthese reagiert ein Gasgemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff ("Synthesegas") zu flüssigen Kohlenwasserstoffen, die als synthetische Kraftstoffe eingesetzt werden. Im modernen industriellen Prozess läuft die Reaktion bei 20 bis 40 bar und ca. 200 °C an einem Katalysator aus metallischem Cobalt ab. Weil sich Synthesegas auch aus Biomasse oder aus CO2 und grünem Wasserstoff gewinnen lässt, gilt das Verfahren als möglicher Baustein für klimaneutrale Kraftstoffe. Ein Team um den LMU-Chemiker Prof. Joost Wintterlin hat nun gemeinsam mit Theoretikern der Universität Ulm untersucht, wie die Oberfläche dieses Katalysators im laufenden Betrieb tatsächlich aussieht.
Eine gängige Erklärung auf dem Prüfstand
Unter Reaktionsbedingungen ist die Cobaltoberfläche stark mit Kohlenstoffatomen bedeckt, die beim Zerfall des Kohlenmonoxids entstehen. Seit einer Studie aus den 1990er-Jahren gilt es in der Fachwelt als wahrscheinlich, dass dieser Kohlenstoff die glatte Metalloberfläche aufraut: Demnach entstehen kleine Cobaltinseln, deren Ränder als aktive Zentren der Reaktion dienen. Diese Vorstellung ist attraktiv, weil sie erklären würde, warum frische Katalysatoren in den ersten Betriebstagen aktiver werden. Direkt nachprüfen ließ sich das bisher nicht, denn bei 20 bis 40 bar funktionieren keine Oberflächenuntersuchungsmethoden.
Ein Kohlenstoffvorrat als Umweg
Die Gruppe arbeitet mit einem Rastertunnelmikroskop, das in einer Reaktorzelle bis zu einem Betriebsdruck von etwa 1 bar atomar aufgelöste Bilder liefert. Gleichzeitig werden die gebildeten Produkte mit einem Gaschromatographen analysiert. Um die hohe Kohlenstoffbedeckung des Industrieprozesses trotz des niedrigeren Drucks nachzubilden, wählte Erstautor Sebastian Kläger einen Umweg: Auf einen als Modellkatalysator dienenden Cobalt-Einkristall brachte er zunächst eine dünne Schicht Cobaltcarbid auf, die als Kohlenstoffquelle diente. Wurde die Reaktion dann mit ca. 1 bar Synthesegas bei 200 °C gestartet, reagierte ein Teil des Carbids mit Wasserstoff rasch ab, doch ein Teil des Kohlenstoffs blieb auf der Oberfläche zurück und hielt dort ein Niveau, wie es sonst erst bei sehr viel höherem Druck zu erwarten wäre.
Dreiecke statt Inseln
Die erwartete Aufrauung blieb jedoch komplett aus. Stattdessen zeigten die Aufnahmen Muster aus gleichseitigen Dreiecken, von denen die kleinsten eine Kantenlänge von 1,5 Nanometern aufwiesen.
Was hinter dem Muster steckt, klärten Dr. Sung Sakong und Prof. Axel Groß von der Universität Ulm mithilfe quantenchemischer Rechnungen. In den dreieckigen Bereichen bilden die Cobaltatome der obersten Lage sogenannte Stapelfehler. Entlang der Linien zwischen den Stapelfehlern und den regulären Bereichen außerhalb der Dreiecke finden die Kohlenstoffatome besonders günstige Plätze. Den Rechnungen zufolge ist diese Anordnung energetisch deutlich stabiler als die bislang angenommene Aufrauung, und zwar auch unter den Bedingungen des technischen Prozesses.
„Die Aufrauung ist seit dreißig Jahren die Standarderklärung. Bei erhöhter Kohlenstoffbedeckung sehen wir sie nicht, und die Rechnungen sagen uns auch, warum: Die Dreiecksstruktur ist schlicht die günstigere“, sagt Wintterlin.
STM-Aufnahme der Dreiecke auf einer Cobalt-Oberfläche unter Reaktionsbedingungen bei ca. 1 bar Synthesegas und 200 °C und Kugelmodell-Darstellung der Stapelfehlerstruktur (gelb/weiß: Cobaltatome; blau: Kohlenstoffatome). Die ausgedehnten schwarz-weißen Linien im STM-Bild sind atomare Stufen. © 2026 Die Autoren.
Die Aktivität bleibt unverändert
Bemerkenswert ist, dass die katalytische Fischer-Tropsch-Aktivität durch diese Struktur nicht beeinflusst wird. „Die Oberfläche sieht anders aus, der Katalysator arbeitet aber genauso weiter. Das passt zu unserem Bild, dass es auf die atomaren Stufen ankommt, und deren Zahl ändert sich kaum“, sagt Kläger. Dass diese Stufenkanten zwischen den Terrassen die aktiven Zentren sind, hatte die Gruppe bereits in früheren Arbeiten gezeigt. Für die verbreitete Erklärung der Aktivität über eine kohlenstoffinduzierte Aufrauung des industriellen Katalysators sprechen die Daten dagegen nicht.
Gefördert wurde die Arbeit von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (Projektnummer 552794718).