Katalyse bezeichnet die Beschleunigung chemischer Reaktionen durch Stoffe, die sogenannten Katalysatoren, ohne dass diese dabei stofflich verbraucht werden. In der werkstofforientierten Katalyseforschung steht die gezielte Gestaltung von Festkörpern, Oberflächen und Grenzflächen im Vordergrund, um Reaktionskinetik, Selektivität und Stabilität zu optimieren.

Man unterscheidet primär homogene und heterogene Katalyse. Für technische Anwendungen dominiert die heterogene Katalyse, bei der der Katalysator meist fest und die Reaktanden gasförmig oder flüssig sind. Die katalytische Aktivität wird wesentlich durch die elektronische Struktur, Defekte, Kristallfacetten, Porenstruktur und die chemische Zusammensetzung bestimmt. Typische Systeme sind Metall- und Legierungsnanopartikel auf oxidischen Trägern oder komplexe Oxide (Perowskite, Spinelle).

Spezialformen sind Elektrokatalyse und Photokatalyse. In der Elektrokatalyse steuert das Elektrodenmaterial ladungstragende Grenzflächenprozesse, etwa bei der Sauerstoff- und Wasserstoffentwicklungsreaktion. Photokatalyse koppelt die Lichtabsorption des Materials mit der Erzeugung und Trennung von Ladungsträgern zur Initiierung chemischer Umsetzungen, z. B. bei der solaren Brennstofferzeugung.

Die Katalysatorsynthese umfasst nasschemische, gasphasen- und festkörperbasierte Verfahren (z. B. Sol‑Gel, Imprägnierung, ALD), mit denen Morphologie und Struktur präzise eingestellt werden. Moderne, datengetriebene Ansätze (High‑Throughput, maschinelles Lernen) ermöglichen die beschleunigte Identifikation neuer Katalysatormaterialien. Klassische Beispiele für katalytische Anwendungen sind Abgaskatalysatoren, selektive Oxidations- und Hydrierprozesse sowie elektrochemische Energieumwandlung.