Eine Landkarte für Einzelatom-Katalysatoren Atomare Nachbarschaft im Blick – für bessere Katalysatoren

Anbieter zum Thema

ETH Eidgenössische Technische Hochschule Zürich

Kern & Sohn GmbH

Shimadzu Deutschland GmbH

Labexchange - Die Laborgerätebörse GmbH

Was zählt ist Lage, Lage, Lage. Nicht nur beim Hauskauf ist die Nachbarschaft wichtig, auch bei Katalysatoren. Mittels Kernspinresonanz haben Forscher der ETH Zürich die atomaren Umgebungen einzelner Platinatome analysiert und zeigen neue Wege auf, um Einzelatom-Katalysatoren zu optimieren.

Ohne chemische Katalyse würde unsere Welt nicht funktionieren, dies gilt sowohl für zahlreiche biologische Prozesse als auch für die chemische Industrie. Etwa 80 Prozent aller chemischen Produkte werden mithilfe von Katalyse hergestellt. Auch Abgaskatalysatoren oder Brennstoffzellen beruhen auf diesem Wirkprinzip. Ein besonders effektiver und vielseitiger Katalysator ist Platin. Da Platin aber ein sehr seltenes und teures Edelmetall ist, dessen Gewinnung zudem viel CO₂-Ausstoß verursacht, ist es wichtig, möglichst wenig davon einzusetzen und zugleich seine Effizienz zu maximieren.

In den letzten Jahren hat man deshalb zunehmend versucht, so genannte Einzelatom-Katalysatoren zu entwickeln, in denen jedes Atom zur chemischen Reaktion beiträgt. Dabei werden in einem porösen Trägermaterial, zum Beispiel aus mit Stickstoffatomen durchsetztem Kohlenstoff, einzelne Platinatome auf die Oberfläche aufgebracht. Die Stickstoffatome fungieren dabei als Ankerpunkte, an denen die Platinatome andocken können.

Grüne Chemie

Von Platin zu Eisen: Wie Nichtedelmetalle die Pharmaforschung verändern

Einzelne Atome für maximalen Katalyse-Effekt

Forschende um Javier Pérez-Ramírez und Christophe Copéret am Departement Chemie und Angewandte Biowissenschaften der ETH Zürich haben nun gemeinsam mit Kollegen der Universitäten in Lyon und Aarhus gezeigt, dass solche Einzelatom-Katalysatoren wesentlich komplexer sind als bisher angenommen. Mithilfe von Kernspinresonanz konnten sie nachweisen, dass die einzelnen Platinatome in einem solchen Katalysator sehr unterschiedliche atomare Umgebungen haben, die ihre Katalysewirkung beeinflussen können. Diese Entdeckung wird es in Zukunft erlauben, effizientere Katalysatormaterialien herzustellen.

„Bislang konnte man einzelne Platinatome nur durch ein Elektronenmikroskop betrachten – das sieht zwar beeindruckend aus, aber über ihre Katalyseeigenschaften erfährt man dadurch nicht viel“, sagt Pérez-Ramírez. Gemeinsam mit Copéret überlegte er, wie man die einzelnen Platinatome genauer charakterisieren könnte.

Kernspinresonanz liefert eine Partitur der Platinatome

Die beiden Forscher setzten auf Kernspinresonanz. Bei dieser Methode, die normalerweise in Labors zur Untersuchung von Molekülen benutzt wird, reagieren die Spins der Atomkerne in einem starken statischen Magnetfeld auf oszillierende Magnetfelder mit einer bestimmten Resonanzfrequenz.

Bei Molekülen hängt diese Resonanzfrequenz unter anderem davon ab, wie die verschiedenen Atome im Molekül angeordnet sind. „Auch bei den einzelnen Platinatomen wird die Resonanzfrequenz durch die atomaren Nachbarn – zum Beispiel Kohlenstoff, Stickstoff oder Sauerstoff – beeinflusst und zusätzlich durch ihre Ausrichtung relativ zum statischen Magnetfeld“, erklärt Copéret.

Das führt zu einer Vielzahl von Resonanzfrequenzen, vergleichbar mit den verschiedenen Tönen in einem Orchester. Herauszufinden, welches Instrument welchen Ton erzeugt, ist dabei nicht einfach. „Der Zufall wollte es, dass einer von uns bei einem Besuch in Lyon einen Simulationsexperten aus Aarhus traf“, erzählt Copéret. Solche Begegnungen und die daraus entstehenden Kooperationen seien essenziell für wissenschaftlichen Fortschritt. Der Simulationsexperte entwickelte gemeinsam mit dem ETH-Forscher ein Computerprogramm, mit dessen Hilfe die vielen verschiedenen „Töne“ der einzelnen Platinatome aus dem Durcheinander herausgefiltert werden können.

Landkarte der atomaren Umgebung

So gelang es schließlich, Einzelatom-Katalysatoren zu beschreiben: Das Forschungsteam konnte nun eine Art Landkarte erstellen, auf sichtbar ist, welche Atome die Platinatome umgeben und wo sie sich befinden. „Dieses Analyseverfahren setzt einen neuen Maßstab im Forschungsfeld“, sagt Pérez-Ramírez.

Mit dem neuen, leicht zugänglichen Verfahren können in Zukunft Herstellungsverfahren für Einzelatom-Katalysatoren so optimiert werden, dass am Ende alle Platinatome genau festgelegte Umgebungen haben. Das ist denn auch die nächste Herausforderung für das Team. „Auch im Hinblick auf geistiges Eigentum ist unsere Methode wichtig“, sagt Copéret. „Wenn wir einen Katalysator auf atomarer Ebene genau beschreiben können, dann können wir ihn auch durch ein Patent schützen.“

Originalpublikation: Koppe J, Yakimov AV, Gioffrè D et al. Coordination environments of Pt single-atom catalysts from NMR signatures. Nature 642, 613–619 (2025); DOI: 10.1038/s41586-025-09068-x

(ID:50471107)