Vielflächige Katalysatoren

Ein chinesisch-amerikanischen Forscherteam verbessert die Effizienz von Platin-Katalysatoren.

Xiamen (China)/Atlanta (USA) – Effiziente Katalysatoren verfügen über große Oberflächen. Doch auch deren Struktur spielt eine wesentliche Rolle. Mit diesem Wissen gelang es nun einer chinesisch-amerikanischen Forschergruppe, die Reaktivität von Platinkatalysatoren um bis das Vierfache zu erhöhen. Diese Ergebnisse, die sowohl für die Abgasbehandlung als auch für die Gewinnung von Wasserstoff von großer Bedeutung sein könnten, veröffentlichen sie in der Zeitschrift „Science“.

„Das neue Aussehen der Platinkatalyse-Nanopartikel verbessern deren Aktivität deutlich“, sagt Zhong Lin Wang vom Georgia Institute of Technology in Atlanta. Zusammen mit Kollegen von der chinesischen Xiamen Universität züchteten sie etwa 100 Nanometer kleine Platinkristalle mit der so genannten Tetrahexahedralstruktur, die 24 Flächen aufweist. Bisher in der Katalyse verwendete Platinpartikel dagegen bevorzugen einfachere Strukturen in Würfeln, Tetraedern oder Oktaedern.

Für die Herstellung dieser vielflächigen Kristalle gingen Wang und Kollegen von kugelförmigen, etwa 750 Nanometer großen Partikeln aus Platin aus. In einer Schwefelsäurelösung setzten sie diese Teilchen einer elektrochemischen Behandlung mit alternierenden Potenzialen aus (1,2 V; 10 Hz). Innerhalb von 30 bis 60 Minuten kristallisierten an einer Kohlenstoffelektrode viel kleinere Platinpartikel mit der gewünschten Tetrahexahedralstruktur aus.

In ersten Versuchen bewiesen diese bis etwa 800 Grad Celsius stabilen Platinkristalle ihre erhöhte Aktivität. Sowohl Ameisensäure als auch Ethanol konnte bis zu 400 Prozent besser oxidiert werden als bei der Verwendung der größeren Platin-Nanokugeln. Für dieses Verhalten machen die Forscher die höhere Anzahl von atomaren Kanten verantwortlich, an denen die Chemikalien für die Katalyse-Reaktion andocken können.

„Wenn wir in Zukunft eine Wasserstoff-Wirtschaft haben wollen, brauchen wir bessere Katalysatoren“, sagt Zhong Lin Wang. Genau dieses Ziel könne nach seiner Meinung mit den vielflächigen Nanopartikeln erreicht werden. Mit der Kristallisationsmethode sollen auch Nanopartikel aus anderen Elementen mit gewünschter Größe und Struktur gezüchtet werden können. „Es wird aufregend sein, diese elektrochemische Synthese Nanopartikel aus Mischmetallen und Metalloxiden anzuwenden“, schreibt Daniel Feldheim von der University of Colorado in einem begleitenden Kommentar.

Reif für eine Anwendung in der chemischen Industrie sind die neuen Platinpartikel allerdings noch nicht. So effektiv die neuen Oberflächenstrukturen sein mögen, sind die Teilchen selbst noch zu groß. Schlichter geformte Platinkristalle mit nur drei Nanometer Durchmesser sind bezogen auf das Gesamtgewicht noch etwa zehnmal leistungsfähiger für die Unterstützung katalytischer Reaktionen. Diese Hürde wollen Wang und Kollegen aber bald mit der Aufzucht von noch kleineren, unter zehn Nanometer messenden Platinkristallen überwinden.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalarbeit:
  N. Tian et al., Synthesis of Tetrahexahedral Platinum Nanocrystals with High-Index Facets and High Electro-Oxidation Activity, Science 316, 732 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1140484
• Kommentar:
  D. Feldheim, The New Face of Catalysis, Science 316, 699 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1143093
• Xiamen University in Xiamen, China:
  http://www.xmu.edu.cn/english/
• Georgia Institute of Technology in Atlanta:
  http://www.gatech.edu
• School of Materials Science and Engineering, Gatech:
  http://www.mse.gatech.edu