Wasserschicht fördert katalytische Oxidation von Kohlenmonoxid
Wassermoleküle übernehmen zusätzlich zu Nanopartikeln aus Gold eine ko-katalytische Funktion.
Die katalytische Oxidation von giftigem Kohlenmonoxid zu harmlosem Kohlendioxid hat vom Autokatalysator bis zur Reinigung von Wasserstoff eine große Bedeutung. Doch noch immer sind nicht alle Detailschritte dieser chemischen Reaktion komplett verstanden. Eine deutsch-amerikanische Forschergruppe untersuchte die CO-Oxidation an Nanopartikeln aus Gold und fand Hinweise auf einen bislang unbekannten, aber dennoch wichtigen katalytischen Einfluss von Wasser.
Abb.: Bei der katalytischen Oxidation von Kohlenmonoxid an Goldpartikeln auf einer Titandioxid-Unterlage übernehmen Wassermoleküle die wichtige Rolle eines Ko-Katalysators (Computergrafik, Bild: U Houston).
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass schon kleine Wassermengen ausreichen, um aktiv an der CO-Oxidation an Gold-Titandioxid-Partikeln teilzunehmen und die Reaktion signifikant zu beschleunigen“, sagt Lars Grabow, ein aus Deutschland stammender Ingenieur der Verfahrenstechnik. Mit seinen Kollegen der University of Houston und der Trinity University in San Antonio ging er den einzelnen Reaktionschritten sowohl im Experiment als auch in einer vereinfachten Modellrechnung nach, um den reaktionsfördernden Einfluss von Wassermolekülen zu verstehen.
So dienten die winzigen Goldpartikel weiterhin als Andockstelle für Sauerstoffmoleküle, die durch den Kontakt mit Gold dissoziierten und aktiviert wurden. In Gegenwart von Wassermolekülen kam es zu Bildung von Hydroxyl-Gruppen am Gold, an die wiederum Wassermoleküle anlagerten. Parallel mit einem Protonentransfer wanderte eine schwach gebundene Hydroxyl-Gruppe an ein Kohlenmonoxid-Molekül. Das Proton löste sich darauf wieder und verband sich mit einer weiteren Hydroxyl-Gruppe unter Bildung von Wasser. Das gewünschte Kohlendioxid-Molekül blieb zurück. Vergleichsversuche im trockenen Hochvakuum und ohne Gegenwart von Wassermolekülen verliefen signifikant langsamer und weniger effizient.
Bei der CO-Oxidation übernehmen also Wassermoleküle die Rolle eines Ko-Katalysators. Mit diesem Wissen lassen sich katalytische Reaktionen an Gold-Titandioxid-Partikeln weiter optimieren. Angewandt auf die CO-Oxidation könnte so reinerer Wasserstoff aus Erdgas gewonnen werden, da dieser Prozess immer auch störendes CO erzeugt. CO ist unerwünscht, da es schon in kleinen Mengen die effiziente Umsetzung von Wasserstoff etwa in Brennstoffzellen stört. Aufbauend auf dieser Studie erwartet Grabow auch Vorteile für weitere Katalyse-Reaktionen: „Der ko-katalytische Effekt von Wasser könnte einen Weg zu effizienteren Reaktionen weit über die CO-Oxidation hinaus eröffnen.“
Jan Oliver Löfken
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