Am Institut für Angewandte Physik der TU Wien wurde eine neue Technologie für bessere Katalysatoren entwickelt. Herkömmliche Katalysatorenmaterialien sind teuer und bleiben in ihrer Effizienz hinter den Vorstellungen der Forschenden zurück. Mit dem Einsatz von Iridium-Atomen auf einer speziellen Eisenoxid-Oberfläche könnte sich dies ändern.

Katalysatoren sind chemische Stoffe, welche die Reaktionsgeschwindigkeit einer chemischen Reaktion erhöhen. Möglich wird diese Beschleunigung durch die Senkung der Aktivierungsenergie. In der chemischen Industrie und bei Autos sind Katalysatoren unverzichtbar. In der Autoindustrie sind diese seit 1.1. 1988 für alle Fahrzeuge mit Benzinmotor vorgeschrieben.

Katalytisch aktive Edelmetalle

In der Abgasanlage des Autos hat der Katalysator die Aufgabe, eine chemische Reaktion im Abgas einzuleiten. Dies wird durch katalytisch aktive Edelmetalle wie Platin oder Rhodium möglich, die Anteile von umweltschädlichem Kohlenmonoxid, unverbranntem Kohlenwasserstoffen und Stickoxid im Abgas reduzieren. In diesem Prozess gerät das Gas in Kontakt mit der Metalloberfläche und kann dort chemisch mit anderen Gas-Komponenten reagieren.

Ineffizientes System

Prof. Gareth Parkinson vom Institut für Angewandte Physik an der Technischen Universität Wien erklärt das Problem an dieser Technologie: Das Katalysatormaterial liegt als einzelner großer Block vor. Deshalb können nur die äußeren Atome des Edelmetalls an dem Prozess beteiligt sein. Die Atome im Inneren des Metalls sind für das Gas gar nicht erreichbar. Forschende verfolgen daher die Vision eines möglichst fein zu verteilenden Katalysatormaterials, das viele Atome aktivieren könnte. Dies wäre etwa bei feinen Körnchen gegeben. Um dieses Ziel zu erreichen, verfolgen Forschende weltweit zwei Strategien:

Feste Metallkatalysatoren

Ideal wären Einzelatome, die alle genau auf die richtige Weise als Katalysatoren aktiv werden. Die Realisierung dieses Ideals scheitert allerdings an der Schwierigkeit, Einzelatome zu fixieren. Dazu Parkinson: „Wenn man Metallatome auf einer Oberfläche anlagert, haben sie meist eine sehr starke Tendenz zu verklumpen und Nanopartikel zu bilden.“

Flüssige Katalysatoren

Aktive Metallatome werden nicht auf einer Oberfläche angebracht, sondern in ein kleines Molekül mit genau richtig ausgewählten Nachbaratomen eingebaut. Die so entstehende Katalysatorflüssigkeit wird mit flüssigen Substanzen vermischt. Nach der chemischen Reaktion muss man das Produkt allerdings vom Katalysator trennen.

 Vor- und Nachteile der Strategien

Der Vorteil von festen Metallkatalysatoren liegt

  • in einem höheren Durchsatz;
  • in der Möglichkeit des Dauerbetriebs, ohne Katalysator und Produktsubstanzen immer wieder voneinander trennen zu müssen;

Der Vorteil von flüssigen Katalysatoren liegt in der Einfachheit, die Moleküle nach Bedarf maßschneidern zu können;

Kombination der Strategien

Parkinson und sein Team an der TU Wien forschen schon seit Jahren daran, Metalloxidoberflächen auf kontrollierte Weise zu bearbeiten und unter dem Mikroskop abzubilden. Jetzt ist es ihnen gelungen – und zwar durch die Kombination der Vorteile der oben genannten Strategien. Parkinson:

„Durch diese Erfahrung mit komplizierten oberflächenphysikalischen Problemstellungen gehören wir nun zu den ganz wenigen Labors auf der Welt, die Metallatome ganz gezielt in eine feste Oberfläche einbauen können.“

Ähnlich wie beim Design flüssiger Katalysatoren können die Forscher jetzt die aus chemischer Sicht geeigneten Nachbaratome präzise auszuwählen. Gleichzeitig können diese mit Hilfe spezieller oberflächenphysikalischer Maßnahmen in eine feste Matrix eingebaut werden.

Erfolg mit Iridium-Atom

Die Errungenschaft basiert auf Iridium-Atomen auf einer speziellen Eisenoxid-Oberfläche. Die Iridium-Atome zeigen bei der Anlagerung auf der Eisenoxid-Oberfläche keine Tendenz zur Verklumpung und lassen sich präzise und punktgenau fixieren. Darüberhinaus lässt sich die chemische Aktivität der Iridium-Atome an die Zahl der atomaren Nachbarn auf der Oberfläche anpassen. Letzteres kann zum Beispiel genutzt werden, um Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid umzuwandeln.

Mit der Einzelatom-Katalyse auf Oberflächen befindet sich Parkinson in einem vielversprechenden Forschungsgebiet. „Vereinzelt gab es bereits Messungen mit solchen Katalysatoren,“ erklärt der Forscher. Allerdings sei der Erfolg bisher eher vom Zufall bestimmt gewesen. Mit der von ihm gefundenen Technologie ist die optimale Kontrolle über die atomaren Eigenschaften der Oberfläche gegeben. Dies kann auch anhand von Bildern aus dem Elektronenmikroskop ganz klar nachgewiesen werden.

Hier finden Sie den Link zur Originalpublikation:

  1. Jakub et al., Local Structure and Coordination Define Adsorption in a Model Ir1/Fe3O4 Single‐Atom Catalyst, Angew. Chem.2019,131, DOI: 10.1002/ange.201907536

 

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