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Katalysatorforschung Hocheffiziente Katalysatoren und Nanoröhrchen mit ungewöhnlicher Symmetrie

| Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Chemikern der Technischen Universität München ist es erstmals gelungen, eine Art „Bronze-Matrjoschka“, d.h. aus drei Schalen aufgebaute räumliche Strukturen als isolierte Metallcluster in Legierungen herzustellen. Aufgrund ihrer großen Oberfläche könnten solche Strukturen als hocheffiziente Katalysatoren dienen.

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Metallcluster, aufgebaut wie eine russische Matrjoschka (Bild: TUM)
Metallcluster, aufgebaut wie eine russische Matrjoschka (Bild: TUM)

Garching – Eine Puppe in der Puppe und noch eine drumherum – so erklärt Thomas Fässler seine Moleküle: Er packt ein Atom in einem Käfig in noch ein weiteres Atomgerüst. Mit ihrer großen Oberfläche könnten solche Strukturen als hocheffiziente Katalysatoren dienen. Wie bei dem russischen Holzspielzeug sitzt ganz innen ein einzelnes kleines Zinnatom, eingepackt in eine Hülle aus zwölf Kupferatomen, und diese ist nochmals umgeben von weiteren 20 Zinnatomen. In der Arbeitsgruppe von Professor Fässler am Institut für Anorganische Chemie der Technischen Universität München (TUM) gelangen solche aus drei Schalen aufgebauten räumlichen Strukturen als isolierte Metallcluster in Legierungen zum ersten Mal.

Faszinierend sind vor allem die Bilder, mit denen die Forscher diese Verbindungen und ihre Eigenschaften erläutern – im Labor ist das ein eher unspektakuläres, schwarz-graues, feines Pulver, aber die Strukturmodelle sind farbig und haben verschiedenste verschachtelte Formen. Mit ihrer großen Oberfläche sind solche Pulver interessant als Vorstufen für Katalysatoren, die Wasserstoff übertragen. Ähnliche Gerüste aus Silicium könnten in Solarzellen das Sonnenlicht noch effektiver einzufangen.

Bronze – kristalline Mischung aus Kupfer und Zinn

Metalle stellt man sich als gleichmäßige, von der Struktur her unspektakuläre Werkstoffe vor. Ganz anders die Metallverbindungen an Fässlers Institut: Auf dem Tisch stapeln sich die verschiedensten Käfigmodelle in bunten Farben, mit gelben Kugeln, die Kupferatome symbolisieren, und blauen für Zinn. Die Parallelität zu den Kohlenstoffbällen, die als „Buckyballs“ Furore machten, ist offensichtlich. Auch hier gibt es geometrische Formen, aus Dreiecken, Fünf- und Sechsecken zusammengesetzte Körper, jedoch nicht aus Kohlenstoff: Auch schwerere Metallatome wie Zinn und Blei können solche isolierten Käfigstrukturen bilden.

„Es sind grundsätzlich andere als die gewohnten Formen von Legierungen, die uns beschäftigen“, sagt Thomas Fässler. Metalllegierungen wie Bronze, jene schon früh entdeckte Mischung aus Kupfer und Zinn, nach der eine ganze Epoche benannt wurde, sind kristallin aufgebaut; die Atome dieser beiden Komponenten sind im ganzen Kristall regelmäßig verteilt und dicht gepackt.

Alkalimetalle und hohe Temperaturen

Ganz anders die neuen Bronzen aus dem Hause Fässler: Im Labor schmolz die Doktorandin Saskia Stegmaier besonders reine Formen von Kupferdraht und Zinnkörnchen zusammen, allerdings unter besonderen Bedingungen: vor Luft und Feuchtigkeit geschützt in einer Argonatmosphäre. Die so erhaltene Bronze schweißte sie dann zusammen mit einem Alkalimetall wie Kalium in eine Ampulle aus Tantal ein. Dieses Metall schmilzt erst bei etwa 3.000 Grad Celsius und eignet sich deshalb besonders, um darin andere Metalle ungestört miteinander in Kontakt zu bringen.

So entstanden die neuen, wie die russische Holzpuppe ineinander geschachtelten Metallcluster: Beim Erhitzen der Bronze mit Kalium oder Natrium auf 600 bis 800 Grad Celsius wirken die Alkalimetalle zunächst wie eine Schere, die das Gitter der Legierung auftrennt, sich dann zwischen die Stücke drängt und kleine isolierte Atomcluster stabilisiert. Denn eigentlich sind diese Clusterteilchen gar nicht in der Lage, sich regelmäßig und dicht zu stapeln und damit Kristalle zu bilden. Sie sind als Fünfecke aus insgesamt 20 Zinnatomen zusammengebaut, daraus lässt sich kein regelmäßig wiederkehrendes Muster aufbauen. Erst „mit etwas Schummeln“ und den Kaliumatomen als „Klebstoff“ dazwischen entsteht auch daraus ein normal anmutender Kristall. Für die Entdeckung ähnlicher, sogenannter Quasikristalle mit fünfzähliger Symmetrie, erhielt der Israeli Dan Shechtman im vorigen Jahr den Chemie-Nobelpreis.

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