Nano-Maulwurf

Bringt man Platin-Nanopartikel auf einen Zeolith-Träger auf und erhitzt diesen, „graben“ sich die Partikel ein und erzeugen Poren.

Abgas-Katalysatoren von Autos bestehen aus winzigen Platin-Partikeln, die auf einem porösen keramischen Träger aufgebracht sind. Bei hohen Temperaturen können diese Partikel sintern, das heißt mit dem Trägermaterial zusammenschmelzen und chemische Reaktionen eingehen. Was passiert dabei nanoskopisch? Und könnte man diese Vorgänge vielleicht nutzen? Japanische Wissenschaftler um Hitoshi Kato haben Platin-Partikel auf einer Zeolith-Oberfläche genauer unter die Lupe genommen – besser gesagt unter das Elektronenmikroskop – und dabei Erstaunliches entdeckt: Partikel, die Gänge „buddeln“.

Zeolithe sind kristalline, hochporöse Silikate. Auf Grund ihrer hohen Oberfläche und ihrer käfigartigen Poren, in die „Gastmoleküle“ aufgenommen werden können, sind sie als Ionenaustauscher, Molekularsiebe und Katalysatoren im Einsatz. Einen solchen Zeolithen wählten die Forscher als Träger für ihre Platin-Partikel und setzten ihn bei 800 Grad Celsius einer Atmosphäre aus, die einem durchschnittlichen Autoabgas entsprach. Nach hundert Stunden sahen sie sich die kleinen platinhaltigen Zeolithkriställchen unter dem Elektronenmikroskop an. Und oh Wunder: Auf der Zeolith-Oberfläche waren keine Platin-Partikel mehr zu erkennen. Wo konnten sie sein? Der überraschende Befund: Die winzigen Edelmetall-Kügelchen hatten sich regelrecht in die Oberfläche des Zeolithen hinein gegraben und hinterließen kleine Kanäle, die ungefähr dem jeweiligen Durchmesser des Partikels entsprachen. Dabei ist eine Vorzugsrichtung innerhalb der Zeolith-Kriställchen zu verzeichnen.

Die Kanäle haben einen sechseckigen Querschnitt, was im Einklang mit der Gitterstruktur des Zeolithen steht, und die Kanalwände werden aus Facetten des Kristalls gebildet. Abgesehen von je einem Platinkügelchen am Ende der Gänge sind diese ansonsten leer und die umliegende Kristallstruktur wird in keiner Wiese gestört. Offenbar sind einfach einige Atome aus dem Kristallgitter entschwunden. An den Berührungsstellen zwischen Platinteilchen und Zeolith katalysiert das Platin vermutlich eine chemische Reaktion zwischen den Silizium- und Sauerstoffatomen des Zeolithen und Bestandteilen der Abgas-Atmosphäre. Dabei können Bestandteile des Zeolithen in Form von SiO und Si(OH) ₄ aus dem Kristall austreten. Die Platinteilchen „sinken“ immer tiefer in die so entstehenden Löcher ein.

„Das beobachtete Phänomen könnte genutzt werden, um maßgeschneiderte poröse Materialien herzustellen“, hofft Kato. „Die Porenanzahl, -form und -größe ließen sich über die Anzahl und den Durchmesser der Platinpartikel, die Dauer des Erhitzens, den gewählten Zeolith-Typus und die Orientierung der winzigen Kristalle einstellen.“

Quelle: Angewandte Chemie

Weitere Infos:

• Hitoshi Kato, Takashi Minami, Takaaki Kanazawa und Yukichi Sasaki, Mesopores Created by Platinum Nanoparticles in Zeolite Crystals, Angew. Chem. 116, 1271 (2004).
  http://dx.doi.org/10.1002/ange.200352706  
• Materials Research and Development Laboratory, Japan Fine Ceramics Center:
  http://www.jfcc.or.jp  
• Zeitschrift „Angewandte Chemie“:
  http://www.angewandte.de  
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