Günstigere Katalysatoren Katalyse an einzelnen Atomen – eine neue Welt

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Ob Großindustrie oder Auto-Auspuff – Metallkatalysatoren kommen in zahlreichen Prozessen zum Einsatz. Dabei gilt: je kleiner die Katalysatorpartikel, desto effizienter der Katalysator. Forscher der TU Wien haben nun untersucht, was passiert, wenn man diesen Trend auf die Spitze treibt und einzelne Atome nutzt. Ihr Ergebnis: Die Effizienzrangliste wird in dieser Dimension neu gemischt.

Wien/Österreich – Metalle wie Gold oder Platin werden oft als Katalysatoren eingesetzt. So dient Platin etwa in Fahrzeugkatalysatoren dazu, giftiges Kohlenmonoxid in ungiftiges Kohlendioxid umzuwandeln. Aufgrund der hohen Kosten solcher Edelmetalle versucht man, sie in Form immer kleinerer Partikel zu nutzen.

Der logische Endpunkt dieser Entwicklung sind Einzelatom-Katalysatoren: Das Metall liegt dann nicht mehr in Form von Partikeln vor, sondern in Form einzelner Atome, die auf einer Oberfläche festgehalten werden. Doch einzelne Atome kann man nicht mehr mit den Regeln beschreiben, die man von größeren Metallstücken kennt. Die Gesetze, die für solche Einzelatom-Katalysatoren gelten, müssen daher erst erforscht werden – und das gelang nun einem Team von der Technischen Universität Wien. Dabei zeigte sich: Verwendet man einzelne Atome, sind manchmal sogar kostengünstigere Materialien effektiver.

Worauf es bei der Katalyse ankommt

Von entscheidender Bedeutung für einen guten Katalysator sind die Elektronen bzw. die Bereitschaft, mit der er diese Elektronen in chemischen Reaktionen zur Verfügung stellt. Bei einem Metallkatalysator ist das ein komplexes Zusammenspiel, da sich in einem Stück Metall nicht jedes Elektron einem bestimmten Atom zuordnen lässt – die Elektronenzustände ergeben sich durch das Zusammenspiel vieler Atome. Die Energie der Elektronen wird deshalb nicht bloß von den Eigenschaften eines Metallatoms festgelegt, sondern vom Metallstück insgesamt.

Für chemische Prozesse spielen aber nur die äußeren Atome des Metalls eine Rolle – die Atome im Inneren des Metallstücks kommen schließlich mit der Umgebung niemals in Kontakt. Wenn man Material sparen möchte, ist es daher am besten, statt großer Metallklumpen winzige Metallpartikel zu verwenden, bei denen sich ein großer Anteil der Atome an der Oberfläche befindet und sich an der Katalyse beteiligen kann. Daher war die Idee naheliegend, das Metall in Form einzelner Atome zu verwenden, damit jedes einzelne Metallatom chemisch aktiv sein kann. Und tatsächlich lassen sich auf diese Weise große Erfolge erzielen.

„Das Verwirrende daran ist nur: Bei einzelnen Atomen sind die Modelle eigentlich gar nicht mehr anwendbar, mit denen man bisher erklärt hatte, warum diese Edelmetalle so gute Katalysatoren sind“, sagt Prof. Gareth Parkinson vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien. „Einzelatome können sich keine Elektronen teilen, die Elektronenbänder, deren Energie man für den Schlüssel zur Erklärung der Katalyse gehalten hatte, gibt es in diesem Fall einfach nicht.“

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Feintuning von Einzelatom-Katalysatoren

Parkinson untersuchte mit seinem Team daher in den vergangenen Jahren, welche atomaren Mechanismen hinter der Einzelatom-Katalyse stecken. „Es ist zwar bemerkenswert, dass die Metalle, die wir als gute Katalysatoren kennen, auch in Form einzelner Atome gute Katalysatoren sind, aber bei näherer Betrachtung zeigt sich: Das ist kein Zufall“, sagt der Wiener Forscher. „Es sind nämlich in beiden Fällen dieselben Elektronen, die so genannten d-Elektronen, die dafür verantwortlich sind.“

Allerdings ergeben sich in der Einzelatom-Katalyse Möglichkeiten, die man bei der Verwendung gewöhnlicher Metallpartikel nicht hat: Je nachdem, auf welchem Untergrund die Metallatome platziert werden und welche atomaren Bindungen sie dabei eingehen, lässt sich die Reaktivität der Atome verändern, so das Fazit der Forscher.

Und das bedeutet in manchen Fällen, dass besonders teure Metalle wie etwa Platin nicht mehr notwendigerweise die beste Wahl sind. „Wir haben etwa große Erfolge mit einzelnen Nickel-Atomen erzielt. Wenn man die atomaren Mechanismen der Einzelatom-Katalyse versteht, hat man plötzlich viel mehr Spielraum, die chemischen Prozesse zu beeinflussen“, sagt Studienleiter Parkinson.

Es muss nicht immer Platin sein

Acht unterschiedliche Metalle wurden an der TU Wien auf diese Weise analysiert – die Ergebnisse passen zu den theoretischen Modellen, die gemeinsam mit Prof. Cesare Franchini von der Universität Wien entwickelt wurden.

„Katalysatoren sind in vielen Bereichen sehr wichtig, gerade auch wenn es um chemische Reaktionen geht, die für unsere Umwelt eine große Rolle spielen“, betont Parkinson. „Unser neuer Zugang zeigt: Es muss nicht immer Platin sein.“ Entscheidend ist die lokale Umgebung der Atome – und wenn man sie richtig wählt, kann man bessere Katalysatoren entwickeln und gleichzeitig sogar noch Ressourcen und Kosten sparen.

Originalpublikation: J. Hulva et al.: Unravelling CO adsorption on model single-atom catalystsScience (2021), Science 22 Jan 2021: Vol. 371, Issue 6527, pp. 375-379: DOI: 10.1126/science.abe5757

* Dr. F. Aigner, Technische Universität Wien, 1040 Wien/Österreich

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