Katalyse besser verstehen Chemie im Goldschwamm

Ob und wie gut ein Katalysator funktioniert lässt sich leicht herausfinden. Doch warum der eine besser ist als der andere, ist eine weitaus komplexere Frage. Dieser widmen sich unter anderem drei Arbeitsgruppen der Universität Oldenburg. Sie wollen die grundlegenden Prozesse der Katalyse besser verstehen und so den Weg für maßgeschneiderte Katalysatoren erleichtern.

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Carl von Ossietzky Universität Oldenburg

Oldenburg – Unter dem Mikroskop sieht es so ähnlich aus wie ein Küchenschwamm: nanoporöses Gold, ein vielversprechendes Katalysator-Material. Welche Prozesse sich an der Oberfläche des durchlöcherten Edelmetalls abspielen und wie sich dessen Eigenschaften gezielt einstellen lassen, ist das Thema einer Forschungsgruppe der Universitäten Oldenburg, Bremen, der TU Hamburg-Harburg und der FU Berlin.

Interessant für die Chemie-Industrie

„Nanoporöses Gold besteht aus 10 bis 50 Milliardstel Meter großen Stegen, die eine verzweigte, ausgefranste Struktur bilden“, erläutert Prof. Dr. Gunther Wittstock vom Institut für Chemie in Oldenburg. Seit einigen Jahren gilt es als interessantes Katalysatormaterial, weil auf der großen Oberfläche Sauerstoffatome aktiviert werden. Diese können anschließend mit anderen Verbindungen reagieren.

Die Forscher hoffen, so zum Beispiel die Oxidation von organischen Substanzen wie Methanol bei niedrigen Temperaturen gezielt steuern zu können. „Wenn man Methanol nur teilweise oxidiert, lassen sich daraus wichtige Grundbausteine für die chemische Industrie herstellen, etwa Ameisensäuremethylester“, erläutert Wittstock.

Alternative zu „try and error“

Für Wittstock und seine Kollegen steht nicht die Anwendung, sondern das grundlegende Verständnis von Katalysatoren im Vordergrund. Bislang probieren Chemiker auf der Suche nach einem geeigneten Katalysator für eine bestimmte Reaktion meist lange herum, bis sie das optimale Rezept finden. „Dieses empirische Vorgehen ist natürlich unbefriedigend“, sagt Wittstock. „Wir möchten gerne verstehen, was einen guten Katalysator ausmacht, und die Eigenschaften gezielt einstellen.“ Für ihn ist nanoporöses Gold dafür das ideale Material. „Es ist gerade so komplex, dass wir die Chance haben, es systematisch zu erforschen“, sagt er.

Wie man einen Goldschwamm macht

Als Ausgangsmaterial für ihre Studie benutzen die Forscher Gold-Silber-Legierungen in Tablettenform. Daraus stellen sie die Gold-Nanoschwämme her. „Da Silber das unedlere Metall ist, lösen wir es mithilfe von Salpetersäure oder elektrischer Spannung aus dem Festkörper heraus“, erklärt Wittstock den Prozess. Die goldglänzende Tablette nimmt daraufhin eine bräunliche Farbe an. Unter dem Elektronenmikroskop wird der poröse Charakter sichtbar.

Wie sich in der ersten Projektphase gezeigt hat, werden jedoch nicht alle Silber-Atome vollständig aus dem Gitter herausgelöst. „Es bilden sich abgekapselte Bereiche, in denen die ursprüngliche Legierung erhalten bleibt“, berichtet Wittstock. Und nahe der Oberfläche befindliche Silber-Atome sind sogar wichtig für die Katalyse – so eine Erkenntnis der bisherigen Untersuchungen.

Aktuelle Untersuchungen

In der zweiten Projektphase geht es nun darum, die Oberflächenchemie noch besser zu verstehen. Wittstock und sein Team beschäftigen sich unter anderem mit Umlagerungsprozessen, die innerhalb der winzigen Stege aus Gold schon bei Raumtemperatur in Gang kommen. Die Chemiker wollen herausfinden, wie sich dieser unerwünschte Prozess stoppen lässt, zum Beispiel durch Zusatzstoffe, die sich auf der Goldoberfläche ablagern.

Auch zwei weitere Arbeitsgruppen des Jülicher Forschungszentrums sind an dem DFG-geförderten Projekt beteiligt: Wittstocks Kollege Prof. Dr. Thorsten Klüner will chemische Prozesse aufklären, die sich bei der Oxidation von Methanol und Propylen auf der Oberfläche des nanoporösen Goldes abspielen. In der Gruppe von Kollegin und Prof. Dr. Mehtap Özaslan geht es um katalytisch aktive Nanopartikel mit besonderen Eigenschaften. Sie möchte die Größe dieser Nanoteilchen, ihre Porosität sowie den Anteil an unedleren Metallen bei der Herstellung zu kontrollieren lernen.

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