Reaktive Oberflächen in Echtzeit So verändern sich Nanopartikel bei der Katalyse

Was passiert mit den winzigen aktiven Körnchen eines Abgaskatalysators im Auto? Mit intensivem Röntgenlicht haben Forscher vom Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY live ein individuelles Nanopartikel unter Reaktionsbedingungen untersucht und gezeigt, wie sich die chemische Zusammensetzung seiner Oberfläche ändert.

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DESY Deutsches Elektronen- Synchrotron

Hamburg, Karlsruhe – Katalysatoren sind Materialien, die chemische Reaktionen begünstigen, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. In zahlreichen industriellen Prozessen werden heute Katalysatoren eingesetzt, von der Düngemittelherstellung bis zur Plastikproduktion. Ein besonders bekanntes Beispiel ist der Abgaskatalysator im Auto. Dabei handelt es sich um Edelmetalle wie Platin, Rhodium und Palladium, die eine Umwandlung von giftigem Kohlenmonoxid (CO) in Kohlendioxid (CO₂) sowie eine Reduzierung schädlicher Stickoxide (NO_x) ermöglichen.

„Trotz ihres breiten Einsatzes und ihrer großen Bedeutung, kennen wir viele wichtige Details der genauen Funktionsweise der verschiedenen Katalysatoren noch nicht“, berichtet Andreas Stierle, der das DESY Nano-Lab leitet. „Es ist daher ein langgehegtes Ziel, reale Katalysatormaterialien im Betrieb zu untersuchen.“ Das ist äußerst schwierig, denn um die aktive Oberfläche möglichst groß zu gestalten, werden Katalysatormaterialien meist als winzige Nanopartikel eingesetzt, und die Änderungen, die ihre Aktivität beeinflussen, spielen sich auf ihrer Oberfläche ab.

Winzige Partikel per Oberflächenspannung charakterisieren

Das Team aus dem DESY Nano-Lab hat im EU-Projekt „Nanoscience Foundries and Fine Analysis“ (NFFA), eine Technik entwickelt, mit der sich einzelne Nanopartikel markieren und dadurch in der Probe identifizieren lassen. „Für die Untersuchung haben wir im Labor Nanopartikel aus einer Platin-Rhodium-Mischung, einer so genannten Legierung, auf einem Trägermaterial wachsen lassen und ein spezielles Partikel markiert“, beschreibt Ko-Autor Thomas Keller. „Das markierte Partikel hat einen Durchmesser von rund 100 Nanometern und ähnelt Partikeln, wie sie im Auto-Katalysator zum Einsatz kommen.“

Mit dem Röntgenlicht der Europäischen Synchrotronstrahlungsquelle ESRF im französischen Grenoble konnte das Team nicht nur ein detailliertes Abbild des Nanopartikels erstellen, sondern auch die mechanische Spannung in seiner Oberfläche vermessen. „Die Oberflächenspannung ist ein Maß für ihre chemische Zusammensetzung aus Platin- und Rhodium-Atomen“, erläutert Ko-Autor Philipp Pleßow vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Seine Gruppe hat eine Theorie entwickelt, die den Zusammenhang zwischen Oberflächenspannung und chemischer Zusammensetzung für die jeweiligen Facetten des Nanopartikels beschreibt. Wie bei geschliffenen Edelsteinen werden die verschiedenen Oberflächen eines Nanopartikels als Facetten bezeichnet.

Oberflächenreaktionen auf Nanoteilchen

Im Takt der Katalyse

Atomgenau in Echtzeit analysiert

Nach dem Wachstum des Nanopartikel befinden sich v. a. Platinatome an der Oberfläche, weil dies energetisch günstiger ist. Die Wissenschaftler untersuchten Form und Oberflächenspannung des Partikels dann unter verschiedenen Bedingungen, darunter auch Betriebsbedingungen wie im Auto-Katalysator. Dazu heizten sie das Partikel auf rund 430 °C auf und ließen Kohlenmonoxid- und Sauerstoffmoleküle an ihm vorbeiströmen, wie die Animation auf der DESY-Webseite zeigt. „Unter diesen Reaktionsbedingungen werden Rhodium-Atome im Inneren des Partikels mobil und wandern an die Oberfläche, weil Rhodium stärker als Platin mit Sauerstoff wechselwirkt“, erklärt KIT-Forscher Pleßow. Auch das sagt die Theorie korrekt voraus.

„In der Folge ändern sich Oberflächenspannung und Form des Partikels“, ergänzt Ivan Vartaniants, dessen Team am DESY die Form- und Oberflächenspannungsmessungen in räumliche Bilder umgewandelt hat. „Es findet eine facettenabhängige Rhodiumanreicherung statt, und es bilden sich mehr Ecken und Kanten.“ Die chemische Zusammensetzung der Oberfläche, Form und Größe der Partikel haben erheblichen Einfluss auf ihre Funktion und Effizienz. Wie dies genau zusammenhängt, und auf welche Weise sich die Struktur und Zusammensetzung der Nanopartikel beeinflussen lässt, beginnen Wissenschaftler allerdings erst zu verstehen. Im Röntgenlicht lassen sich noch Spannungsänderungen von 0,1 Promille erkennen, das entspricht in dieser Untersuchung einer Genauigkeit von etwa 0,0003 Nanometern (0,3 Pikometern).

Die Erkenntnisse der Forscher helfen beim Verständnis einer ganzen Klasse von Reaktionen, bei denen Legierungsnanopartikel eingesetzt werden. „Unsere Untersuchung ist ein wichtiger Schritt zur Analyse realer Katalysatormaterialien“, betont Stierle. Bislang züchten Wissenschaftler für solche Studien Modellsysteme im Labor. „Wir sind bei dieser Untersuchung an die Grenze des Machbaren vorgestoßen. Mit dem bei DESY geplanten Röntgenmikroskop PETRA IV werden wir einzelne, zehnmal kleinere Partikel in realen Katalysatoren unter Reaktionsbedingungen anschauen können.“

Originalpublikation: Young Yong Kim, Thomas F. Keller, Tiago J. Goncalves, Manuel Abuin, Henning Runge, Luca Gelisio, Jerome Carnis, Vedran Vonk, Philipp N. Plessow, Ivan A. Vartanyants, Andreas Stierle: Single Alloy Nanoparticle X-Ray Imaging during a Catalytic Reaction, Science Advances, 1 Oct 2021, Vol 7, Issue 40; DOI: 10.1126/sciadv.abh0757

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