Katalyse bezeichnet die Beschleunigung oder gezielte Steuerung chemischer Reaktionen durch einen Katalysator, der die Reaktion ermöglicht, ohne dabei dauerhaft verbraucht zu werden. In den Werkstoffwissenschaften ist Katalyse sowohl ein Werkzeug der Prozessführung als auch ein zentrales Funktionsprinzip katalytisch aktiver Werkstoffe.

Zentral ist die Absenkung der Aktivierungsenergie durch Bildung alternativer Reaktionspfade, typischerweise über adsorbierte Zwischenstufen an der Katalysatoroberfläche. Dies führt zu erhöhter Reaktionsgeschwindigkeit und selektiver Produktbildung bei milderen Prozessbedingungen. Man unterscheidet homogene Katalyse (Katalysator und Reaktanden in derselben Phase) und heterogene Katalyse (reaktive Grenzfläche zwischen fester Phase und Gas/Flüssigkeit). In der Werkstofftechnik dominiert die heterogene Katalyse.

Die katalytische Performance wird durch Zusammensetzung, Kristallstruktur, Defekte, Phasengrenzen, Porosität und spezifische Oberfläche bestimmt. Struktur‑Eigenschafts‑Beziehungen, etwa zwischen Oberflächenenergie bestimmter Kristallfacetten und Adsorptionsstärke von Reaktanden, sind zentral für die rationale Katalysatorentwicklung. Moderne Ansätze nutzen gezielte Legierung (z.B. bimetallische Nanopartikel), Nanostrukturierung und Trägermaterialien (Oxide, Carbide, Nitrate) zur Feinabstimmung von Aktivität, Selektivität und Stabilität.

In der Energietechnik sind katalytische Elektrodenmaterialien für Brennstoffzellen, Elektrolyseure und Batterien von hoher Relevanz. Zusätzlich beeinflusst Katalyse werkstofftechnische Prozesse wie Cracken, Reformieren, Polymersynthese oder Abgasnachbehandlung. Herausforderungen umfassen Deaktivierungsmechanismen (Sinterung, Kokung, Vergiftung) und die substanzielle Reduktion kritischer Rohstoffe (z.B. Pt‑Gruppen‑Metalle) durch nachhaltige, erdalkalibasierte oder nicht-edelmetallische Katalysatoren.