06.09.2018

Einblicke in die Nanokatalyse

Hochleistungsmikroskopie zeigt nano­kata­ly­tische Ver­halten von Über­gangs­metallen in Echt­zeit.

Viele chemische Schlüsselprozesse wie die Sauerstoff­reduk­tion in Brenn­stoff­zellen beruhen auf Nano­kata­ly­sa­toren. Aller­dings sind die kata­ly­tischen Reak­tionen von Metall-Nano­clustern auf der atomaren Ebene noch nicht voll­ständig ver­standen. Mit­hilfe der hoch­auf­lösenden aber­rat­ions­korri­gierten Nieder­span­nungs-Trans­missions­elek­tronen­mikro­skopie hat ein deutsch-britisches Forscher­team um Ute Kaiser von der Uni Ulm jetzt erst­mals die Struktur-Eigen­schafts­bezie­hungen von 14 Über­gangs­metallen ver­glichen und ihr kata­ly­tisches Ver­halten in Echt­zeit beob­achtet. Das gelang den Forschern mit einem neuen experi­men­tellen Auf­bau mit Kohlen­stoff­nano­röhren als Test­reak­toren. Weiter­hin schlagen die Wissen­schaftler eine Neu­ord­nung der Über­gang­smetalle, darunter Eisen, Platin und Chrom, im Perioden­system der Elemente für die Kata­lyse auf atomarer Ebene vor.

Abb.: Katalytische Wirkung von Nickel- und Platin-Metall­nano­clustern auf die sich neu um Metall­nano­cluster bilden­den Kohlen­stoff­struk­turen inner­halb einer Kohlen­stoff­nano­röhre. (Bild: U. Ulm)

Bei dem Verfahren dient der Elektronenstrahl nicht nur der Bild­ge­bung, sondern auch als Energie­quelle, die die Reaktion antreibt. Im Experi­ment werden so Beob­ach­tungen der Nano­kata­lyse in atomarer Auf­lösung auf kurzer Zeit­skala möglich. So gelang es dem Team, die Struktur­ände­rungen der Metall-Nano­cluster und die Bildung neuer Metall-Kohlen­stoff­bin­dungen in atomarer Auf­lösung nach­zu­voll­ziehen. Kata­ly­tische Reak­tionen konnten die Forscher sogar in Echt­zeit beob­achten. „Unsere umfang­reiche Unter­suchung ermög­licht grund­legende Schluss­folge­rungen für das Ver­ständnis der Kata­lyse. Ins­ge­samt legen unsere Ergeb­nisse eine neue Klassi­fi­ka­tion der Über­gangs­metalle im Perioden­system, aus­gehend von ihrer kata­ly­tischen Akti­vität, nahe“, sagt Kaiser.

Bei den mikroskopischen Untersuchungen spielen die Kohlen­stoff­nano­röhren, deren Wände nur ein bis zwei Nano­meter dünn sind, eine Schlüssel­rolle. Viele Metall-Nano­cluster reagieren nämlich sehr empfind­lich auf Luft, was ver­glei­chende Ana­lysen bisher erschwerte. Erst durch ihre Ein­bet­tung in die Kohlen­stoff­nano­röhren, die 10.000-mal dünner als ein Haar und fester als Stahl sind, wurden die nun durch­ge­führten Unter­suchungen möglich. „Unsere Studie zeigt, dass Metall-Nano­cluster, die in Kohlen­stoff­röhr­chen ein­ge­bettet sind, eine uni­ver­selle Forschungs­platt­form für die metall­orga­nische Chemie dar­stellen. Dieser experi­men­telle Auf­bau ermög­licht den direkten Ver­gleich der Bindung und Reak­tivi­tät ver­schie­dener Über­gangs­metalle sowie die Auf­klä­rung der Struktur-Eigen­schafts­bezie­hungen von Nano­kata­ly­sa­toren. Unsere Erkenn­tnisse können also ent­schei­dend zur Opti­mie­rung künf­tiger Kata­ly­sa­toren bei­tragen“, sagt Elena Besley von der Uni­ver­sity of Notting­ham.

Insgesamt konnte die he Forschergruppe zeigen, dass die Eigen­schaft von Metallen durch ihre elek­tro­nische Struktur bestimmt wird. Aus­gehend von ihren Unter­suchungen schlagen sie zudem ein über­arbei­tetes Perioden­system der Über­gangs­metalle auf der Nano­skala für die Kata­lyse vor. Die Ergeb­nisse sind für die Grund­lagen­forschung sowie für die Anwen­dung gleicher­maßen bedeut­sam. Zum einen haben die Forscher neue Erkennt­nisse über die Wechsel­wirkung von Elek­tronen­strahl und Materie gewonnen. Zum anderen tragen sie zu einem tieferen Ver­ständnis der Nano­kata­lyse bei und ermög­lichen eine Vor­her­sage des Ver­haltens von Über­gangs­metallen bei kata­ly­tischen Reak­tionen mit Kohlen­stoff. Nach wie vor beruhen zahl­reiche indus­trielle Prozesse auf der Kata­lyse und Schätzungen gehen davon aus, dass kata­ly­tische Reak­tionen dreißig bis vierzig Prozent des globalen Brutto­inlands­produkts aus­machen.

U. Ulm / RK

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