Katalysatoren sind nicht nur in der chemischen Industrie unverzichtbar. Sie ermöglichen und beschleunigen chemische Reaktionen und machen damit auch unsere Autos umweltfreundlicher. Wiener Forschern sind nun Fortschritte im Bereich Oberflächenphysik gelungen, die den Weg zu einer neuen Katalysator-Generation ebnen könnten: Sie platzieren auf einer Oberfläche einzelne Katalysator-Atome mit genau dem gewünschten chemische Verhalten.

Wird bei Autoabgasen mit Hilfe eines Platin-Katalysators Kohlenmonoxid in Kohlendioxid umgewandelt, spielen bei diesem Prozess nur die außen liegenden Platin-Atome eine Rolle, jene im Inneren des Metalls kann das Abgas gar nicht erreichen, wie Gareth Parkinson vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien erklärt. Es ist daher sinnvoll, wenn das Katalysatormaterial als einzelner großer Block, sondern in Form feiner Körnchen vorliegt, damit möglichst viele der Katalysator-Atome auch tatsächlich aktiv werden können. Nachdem viele wichtige Katalysatormaterialien ziemlich teuer sind – etwa Platin, Gold oder Palladium – schlägt sich das auch in den Kosten nieder.

Schwer zu fixierende Atome

Man versucht daher seit Jahren, das aktive Katalysatormaterial möglichst fein zu verteilen. Optimal wären Einzelatome, die alle genau auf die richtige Weise als Katalysatoren aktiv werden. Allerdings ist es extrem schwer, solche Einzelatome zu fixieren. "Wenn man Metallatome auf einer Oberfläche anlagert, haben sie meist eine sehr starke Tendenz zu verklumpen und Nanopartikel zu bilden", sagt Gareth Parkinson. Eine andere Möglichkeit ist, die aktiven Metallatome nicht auf einer Oberfläche anzubringen, sondern in ein kleines Molekül mit genau richtig ausgewählten Nachbaratomen einzubauen. So entsteht eine Katalysator-Flüssigkeit, die man mit flüssigen Substanzen mischt – nach der chemischen Reaktion muss man das Produkt dann vom Katalysator trennen.

Beide Varianten haben Vor- und Nachteile. Feste Metallkatalysatoren haben einen höheren Durchsatz. Man kann sie im Dauerbetrieb laufen lassen, ohne Katalysator und Produktsubstanzen immer wieder mühsam voneinander trennen zu müssen. Bei flüssigen Katalysatoren hingegen ist es einfacher, die Moleküle je nach Bedarf maßzuschneidern.

Das Beste aus zwei Welten

Dem Team um Parkinsons gelang es nun mit seiner jahrelangen Erfahrung mit Metalloxidoberflächen, die Vorteile beider Varianten zu kombinieren, wie es im Fachjournal "Angewandte Chemie" berichtet. Mit Hilfe spezieller oberflächenphysikalischer Tricks ist den Wissenschaftern nun möglich, sie in eine feste Matrix einzubauen. Anhand von Iridium-Atomen auf einer speziellen Eisenoxid-Oberfläche konnten die Forscher zeigen, dass sich die Iridium-Atome einerseits so auf der Oberfläche fixieren lassen, dass sie genau an Ort und Stelle bleiben, ohne sich zu größeren Partikeln zu vereinen. Zum anderen lässt sich die chemische Aktivität der Iridium-Atome anpassen – je nachdem, wie viele atomare Nachbarn sie an der Oberfläche haben. Das kann zum Beispiel genutzt werden, um Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid umzuwandeln.

Volle Kontrolle

"Einzelatom-Katalyse auf Oberflächen ist ein neues, extrem vielversprechendes Forschungsgebiet", sagt Parkinson. "Vereinzelt gab es bereits Messungen mit solchen Katalysatoren – allerdings war der Erfolg bisher eher vom Zufall bestimmt. Wir haben nun erstmals die volle Kontrolle über die atomaren Eigenschaften der Oberfläche und können das anhand von Bildern aus dem Elektronenmikroskop auch ganz klar nachweisen." (red, 2.9.2019)