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Katalysatorforschung

Wie wachsen Platin-Nickel-Oktaeder-Katalysatoren?

| Redakteur: Marc Platthaus

Einem Forscherteam der technischen Universität Berlin um Prof. Dr. Peter Strasser ist es gelungen, den chemischen Wachstumsmechanismus von Platin-Nickel-Oktaederpartikeln aufzuklären.Damit liefern die Forscher fundamental neue wissenschaftliche Erkenntnisse, die es künftig ermöglichen werden, viele andere Materialien in ihrer Funktion als Katalysatoren zu verbessern.

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Das Rätsel des Wachstumsmechanismus von Platonischen Katalysatoren ist gelüftet: Oktaedrische Platin-Nickel-Nanopartikel werden in Form von Kub-Oktaedern geboren (oben links). An diese lagern sich die Platin-Atome (rot) bevorzugt an und bilden sechsarmige „Hexapods“ (oben rechts). Zwischen den Platin-Atomen (unten rechts) wiederum lagern sich die Nickel-Atome (grün) bevorzugt an und vervollständigen so das Oktaederpartikel (unten links).
Das Rätsel des Wachstumsmechanismus von Platonischen Katalysatoren ist gelüftet: Oktaedrische Platin-Nickel-Nanopartikel werden in Form von Kub-Oktaedern geboren (oben links). An diese lagern sich die Platin-Atome (rot) bevorzugt an und bilden sechsarmige „Hexapods“ (oben rechts). Zwischen den Platin-Atomen (unten rechts) wiederum lagern sich die Nickel-Atome (grün) bevorzugt an und vervollständigen so das Oktaederpartikel (unten links).
(Bild: FG Elektrokatalyse-Elektrochemie-Materialien)

Berlin – Kugelförmige Metallpartikel mit einem Durchmesser von wenigen Nanometern werden wegen ihrer reaktionsbeschleunigenden Wirkung als Katalysatoren für viele großtechnische Verfahren in der chemischen Industrie eingesetzt.

Aufgrund ihrer Kugelform variiert die geometrische Anordnung ihrer Metallatome an der Oberfläche aber sehr, und da jede einzelne geometrische Anordnung eine stark unterschiedliche katalytische Wirkung zeigt, ist die katalytische Wirkung gewöhnlich nicht optimal. Besser wäre es, Metallpartikel in der Form von Platonischen Körpern, wie dem Tetraeder, Oktaeder oder Würfel zu präparieren, da diese mathematischen Gebilde von Natur aus überall auf ihrer Oberfläche eine für sie typische geometrische Atomanordnung zeigen. Kennt man die katalytische Aktivität dieser atomaren Geometrien, lässt sich vorhersagen, ob ein würfelförmiges oder rein oktaedrisches Metallpartikel für die chemische Reaktion optimal wäre. Für monometallische, aus einer Atomsorte bestehende Partikel ist dies bereits sehr gut untersucht.

Komplizierter Wachstumsprozess bei bimetallischen Katalysatoren

Sehr viel schwieriger ist es, Platonische Katalysatoren bestehend aus zwei verschiedenen Atomsorten herzustellen. Die atomaren Prozesse der Entstehung und des Wachstums solcher Platonischer bimetallischer Katalysatoren waren bisher unbekannt. Man nahm an, dass bimetallische Oktaeder in ihrer Form geboren werden und danach einfach größer werden. Das hat sich als falsch herausgestellt.

Anhand eines oktaedrisch geformten, bimetallischen Metallpartikelkatalysators, bestehend aus Platin(Pt)- und Nickel-Atomen (Ni), ist es dem Team unter Leitung von TU-Professor Dr. Peter Strasser gelungen, den chemischen Wachstumsmechanismus solcher Platin-Nickel-Oktaederpartikel aufzuklären. Damit liefern die Forscher fundamental neue wissenschaftliche Erkenntnisse, die es künftig ermöglichen werden, viele andere Materialien in ihrer Funktion als Katalysatoren zu verbessern.

Katalysatoren wichtig für Brennstoffzellen

Das Interesse an oktaedrisch geformten Platin-Nickel-Partikeln ist groß, da sie als die leistungsstärksten Metallkatalysatoren für Brennstoffzellen gelten und die benötigte Platinmenge im Vergleich zu kugelförmigen Platin-Nickel-Katalysatoren um das Zwei- bis Dreifache senken würden. In Zusammenarbeit mit dem Ernst-Ruska-Centrum für Elektronenmikroskopie des Forschungszentrums Jülich und der RWTH Aachen fanden die Forscher heraus, dass die Oktaeder als kugelförmige Gebilde geboren werden und dann ein einzigartiger selbstorganisierter Mechanismus einsetzt, der die acht gleichförmigen Flächen eines Oktaeders schrittweise entstehen lässt. Zunächst bildet sich ein reguläres sechsarmiges geometrisches Gebilde, das „Hexapod“, das vorwiegend aus Platin-Atomen besteht, an dem sich die Nickel-Atome bevorzugt in den Hohlräumen zwischen den sechs Armen anlagern, um schließlich die Oktaederform zu komplettieren. Am Ende sind die Nickel- und Platin-Atome stark anisotrop, also nicht gleichmäßig im Katalysatorpartikel und an seiner Oberfläche verteilt. Das Rätsel um diese atomspezifische Anisotropie ist nun gelüftet.

Originalpublikation: Lin Gan, Chunhua Cui, Marc Heggen, Fabio Dionigi, Stefan Rudi, Peter Strasser, Element-specific anisotropic growth of shaped platinum alloy nanocrystals, Science, Vol. 346 no. 6216 pp. 1502-1506, DOI: 10.1126/science.1261212

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