Stabilere Katalysatoren mit weniger Platin

Sowohl für zahlreiche Prozesse in der chemischen Industrie als auch im Auto­auspuff ist das teure Platin als Katalysator unentbehrlich. Doch bei hohen Betriebs­temperaturen neigt das Edelmetall zum Verklumpen. Niedrigere Reaktions­raten bei der Umsetzung etwa von Kohlen­monoxid zu Kohlen­dioxid sind die Folge. Diesen Nachteil konnte eine Arbeitsgruppe der University of New Mexico in Albuquerque nun in den Griff bekommen. Sie entwickelten nano­skalige Strukturen aus Metall­oxiden, um einzelne Platin­atome einzufangen und aktiv zu halten.

„Einzelne Platinatome zeigten sich bei hohen Temperaturen sehr stabil und halfen, die katalytische Aktivität zu erhalten“, sagt Abhaya Datye vom Department of Chemical and Biological Engineerung der University of New Mexico. Zu seiner Überraschung waren die Bedingungen zum Einfangen der Platin­atome in nano­skalige Fallen aus Ceroxid exakt die gleichen, die sonst zu einer Schädigung des Katalysators führen konnten.

Um dieses Ziel zu erreichen, griffen Datye und seine Kollegen von der Washington State University in Pullman zu einem Pulver aus Ceroxid. Dieses vermengten sie mit einer katalytisch aktiven Mischung aus Platin und Aluminium­oxid. Das Pulver­gemisch heizten sie unter Luft auf bis zu 800 Grad Celsius auf. Dabei erwiesen sich vor allem poly­hedrale, viel­flächige Partikel sowie schlichte Nano­stäbchen aus Ceroxid als effiziente Nano­fallen für einzelne Platin­atome.

Es entstand eine heterogene Oberfläche, in der sich die Platin­atome voneinander getrennt anordnen konnten. Ein Verklumpen trat trotz der hohen Temperaturen nicht auf und die katalytische Wirkung der Platin­atome blieb bei der für die Abgas­nach­behandlung wichtigen Oxidation von Kohlen­monoxid zu Kohlen­dioxid weitest­gehend erhalten. Für die effiziente Trennung der Platin­atome war es von großer Bedeutung, dass sie ausschließlich die stabilsten Andock­positionen in der Ceroxid-Oberfläche besetzten, wie Untersuchungen unter einem Raster­transmissions­elektronen­mikroskop zeigten.

Nach Meinung von Datye ließe sich diese Methode zum Einfangen einzelner Platin­atome in vielen Bereichen anwenden. Zudem ist Ceroxid besonders im Vergleich zu Platin ausgesprochen günstig. Sollte es nun verstärkt für die Entwicklung von Katalysatoren mit möglichst großer aktiver Oberfläche genutzt werden, könnte man nicht nur die Langzeit­stabilität der Katalysatoren verbessern. Prinzipiell ließe sich bei gleicher Aktivität auch die Platin­menge pro Katalysator reduzieren und so eine große Kosten­ersparnis erzielen. Da Forscher vom US-Konzern General Motors ebenfalls dieser Studie beteiligt waren, ist eine rasche Umsetzung der Ergebnisse im Automobil­sektor nicht unwahrscheinlich.

Jan Oliver Löfken

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