Wiener Physiker verbessern Katalysatoren

Katalysatoren, wie sie etwa zur Abgasreinigung in Autos eingesetzt werden, können ihre Wirkung verlieren, wenn die katalytisch aktiven Atome auf der Oberfläche zu wandern beginnen und sich dann zusammenklumpen. Wissenschafter der Technischen Universität (TU) Wien konnten nun erstmals dieses komplizierte Beziehungsspiel zwischen einzelnen Atomen und Molekülen beobachten und die Abläufe erklären. Sie berichten darüber in dem Fachjournal „Nature Materials".

Wirkung nimmt ab
In Katalysatoren werden oft Metalle wie Gold oder Palladium eingesetzt, um chemische Reaktionen zu beschleunigen. So werden etwa in einem Auto-Kat Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickoxide in die ungiftigen Kohlendioxid, Wasser und Stickstoff umgewandelt. Besonders effektiv funktioniert das, wenn die Metall-Atome möglichst fein verteilt auf dem Untergrund sitzen.

Wenn sie sich verklumpen, kommen die meisten von ihnen nicht mehr in Kontakt mit dem umgebenden Gas und der Katalysator-Effekt wird viel geringer. „Die Verklumpung ist eines der großen Probleme der Katalyse und entscheidet darüber, wie lange der Kat funktioniert", erklärt Ulrike Diebold vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien im Gespräch mit der APA.

Kohlenmonoxid verantwortlich für Verklumpung
Die TU-Wissenschafter verfügen mit einer extrem sauberen Eisenoxid-Oberfläche über ein Modellsystem, bei dem Palladium-Atome regelmäßig auf der Oberfläche angeordnet sind. „Das ist eine ganz wohldefinierte Ausgangssituation, wo wir sagen können, was mit jedem einzelnen Atom passiert", so Diebold. Mit Hilfe eines Rastertunnelmikroskops können die Forscher über Stunden den Weg einzelner Atome beobachten.

Diebold und ihr Team konnten so beweisen, dass Kohlenmonoxid (CO) für den Verklumpungseffekt verantwortlich ist. Sie beobachteten, wie sich ein CO-Molekül mit einem einzelnen Palladium-Atom verbindet und regelrecht ein Stück angehoben wird. Sobald das geschieht, ist das Palladium kaum noch an den Untergrund gebunden und das ungleiche Paar flitzt über die Oberfläche, bis es mit einem anderen Palladium-Atom kollidiert. Dann bleiben die Palladium-Atome aneinander haften, nach und nach können so Klumpen aus vielen Atomen wachsen.

Verbesserungen möglich
Bei der systematischen Untersuchung des Effekts konnten die Wissenschafter feststellen, dass Hydroxy-Gruppen (OH), also Moleküle aus Sauerstoff und Wasserstoff, auf der Eisenoxid-Oberfläche den Effekt unterdrücken. Denn sobald das Palladium-Kohlenmonoxid-Paar auf eine OH-Gruppe trifft, bleibt es an dieser Stelle kleben und kann auch nicht mehr abgelöst werden.

Warum das so ist, ist den Wissenschaftern noch nicht klar, jedenfalls könnte aber eine Beschichtung mit OH-Gruppen Katalysatoren verbessern. „Das Elegante an den Experimenten ist, dass wir Atom für Atom sehen können was passiert und dadurch Einsichten in das System bekommen, die wir bisher nicht hatten," betont Diebold.

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