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Den Atomen beim Reagieren zugesehen Nanokatalyse im wohl kleinsten Reagenzglas der Welt

| Redakteur: Christian Lüttmann

Chemische Reaktionen im Reagenzglas zu beobachten ist eine Sache, doch die molekularen Abläufe zu analysieren eine ganz andere. Eine deutsch-britische Forschergruppe hat nun mit einer neuen Methode genau das getan und Nanopartikel von Übergangsmetallen bei der Katalyse beobachten – in Echtzeit und mit atomarer Auflösung. Als Reaktionsgefäß nutzten sie Kohlenstoffnanoröhren. Ihre Ergebnisse geben wertvolle Informationen für die Entwicklung neuer Nanokatalysatoren.

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Metallnanocluster während der Reaktion in Kohlenstoffnanoröhren
Metallnanocluster während der Reaktion in Kohlenstoffnanoröhren
(Bild: Materialwissenschaftliche Elektronenmikroskopie)

Ulm – Viele chemische Schlüsselprozesse wie die Sauerstoffreduktion in Brennstoffzellen beruhen auf Nanokatalysatoren. Allerdings sind katalytische Reaktionen von Metall-Nanoclustern auf der atomaren Ebene noch nicht vollständig verstanden. So galt die Beobachtung der chemischen Katalyse auf der atomaren Ebene lange Zeit als unmöglich: Zu ungleichförmig ist die Struktur der Nanocluster, auch innerhalb der gleichen Probe, und zu dynamisch ist ihr Verhalten während der chemischen Reaktion.

Forscher der Universitäten Ulm und Nottingham haben nun jedoch ein neues Verfahren entwickelt, mit dem sie die Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von Übergangsmetallen vergleichen und ihr katalytisches Verhalten in Echtzeit beobachten konnten. Es basiert auf der hochauflösenden Niederspannungs-Transmissionselektronenmikroskopie wobei der verwendete Elektronenstrahl nicht nur der Bildgebung dient, sondern auch als Energiequelle die Reaktion antreibt. Im Experiment werden somit Beobachtungen der Nanokatalyse in atomarer Auflösung möglich, die Veränderungen der Atomcluster über die Zeit der Reaktion zeigen.

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14 Übergangsmetalle neu klassifiziert

Mit der neuen Methode haben die Forscher, allen voran der Ulmer Erstautor Kecheng Cao, insgesamt 14 Übergangsmetall-Nanokatalysatoren vergleichend analysiert. Als Reaktionsgefäß und gleichzeitig Reaktionspartner dienten dabei Kohlenstoff-Nanoröhren mit einem Innendurchmesser von 1,1 nm, also zehn Millionen Mal kleiner als ein normales Reagenzglas. Die 20 bis 60 Atome fassenden Nanocluster brachten die Forscher in die Nanoröhren ein und bestrahlten sie dann mit einem Elektronenstrahl.

Dabei gelang es, die Strukturänderungen der Metall-Nanocluster und die Bildung neuer Metall-Kohlenstoffbindungen in atomarer Auflösung nachzuvollziehen. Katalytische Reaktionen konnten die Forschenden sogar in Echtzeit beobachten. „Wir konnten erstmals systematisch die Veränderungen von Metall-Nanoclustern auf der atomaren Ebene analysieren, die durch ihre katalytische Aktivität ausgelöst werden. Unsere umfangreiche Untersuchung ermöglicht grundlegende Schlussfolgerungen für das Verständnis der Katalyse“, sagt Prof. Ute Kaiser, Leiterin der Materialwissenschaftlichen Elektronenmikroskopie an der Universität Ulm und Honorarprofessorin an der University of Nottingham. Die Versuchsdaten könnten ihrer Meinung nach eine große Bedeutung für die Chemie haben: „Insgesamt legen unsere Ergebnisse eine neue Klassifikation der Übergangsmetalle im Periodensystem, ausgehend von ihrer katalytischen Aktivität, nahe.“

Winzige Testreaktoren: Kohlenstoffnanoröhren

Bei den mikroskopischen Untersuchungen spielen die Kohlenstoffnanoröhren eine Schlüsselrolle deren Wände nur eine Atomlage dick sind (ca. 0,3 nm). Viele Metall-Nanocluster reagieren nämlich sehr empfindlich auf Luft, was vergleichende Analysen bisher erschwerte. Erst durch ihre Einbettung in die Kohlenstoffnanoröhren, die 10.000 Mal dünner als ein Haar und fester als Stahl sind, wurden die nun durchgeführten Untersuchungen möglich.

„Dieser experimentelle Aufbau ermöglicht den direkten Vergleich der Bindung und Reaktivität verschiedener Übergangsmetalle sowie die Aufklärung der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von Nanokatalysatoren. Unsere Erkenntnisse können also entscheidend zur Optimierung künftiger Katalysatoren beitragen“, sagt Elena Besley, Professorin für theoretische und computergestützte Chemie an der University of Nottingham.

Gewinn für Grundlagenforschung und industrielle Anwendung

Die Ergebnisse der deutsch-britischen Forschergruppe sind für die Grundlagenforschung sowie für die Anwendung gleichermaßen bedeutsam. Zum einen haben die Forschenden neue Erkenntnisse über die Wechselwirkung von Elektronenstrahl und Materie gewonnen. Zum anderen tragen sie zu einem tieferen Verständnis der Nanokatalyse bei und ermöglichen eine Vorhersage des Verhaltens von Übergangsmetallen bei katalytischen Reaktionen mit Kohlenstoff. Nach wie vor beruhen zahlreiche industrielle Prozesse auf der Katalyse und Schätzungen gehen davon aus, dass katalytische Reaktionen 30 bis 40 Prozent des globalen Bruttoinlandsprodukts ausmachen. Sie besser zu verstehen kann also einen großen wirtschaftlichen Nutzen bringen.

Originalpublikation: Kecheng Cao, Thilo Zoberbier, Johannes Biskupek, Akos Botos, Robert L. McSweeney, Abdullah Kurtoglu, Craig T. Stoppiello, Alexander V. Markevich, Elena Besley, Thomas W. Chamberlain, Ute Kaiser & Andrei N. Khlobystov: Comparison of atomic scale dynamics for the middle and late transition metal nanocatalysts. Nature Communicationsvolume 9, Article number: 3382 (2018); DOI: 10.1038/s41467-018-05831-z

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