Überraschende Nanochemie

Reaktivitätsschwankungen an winzigen Katalysatorteilchen haben große Wirkung, berichten Forscher des Berliner Fritz-Haber-Instituts

Vom Umweltschutz über die chemische Industrie bis hin zur Energietechnik - überall lenken Katalysatoren chemische Reaktionen in die gewünschte Richtung. Warum die aus winzigen Partikeln bestehenden Katalysatormaterialen dabei oft ein ganz spezielles Reaktionsverhalten zeigen, bliebt aber zumeist unklar. Deutsche, schwedische und französische Wissenschaftler sind nun gemeinsam einem überraschenden Effekt auf der Spur: Sie haben herausgefunden, dass auf kleinsten Partikeln auftretende Reaktivitätsschwankungen zu starken Veränderungen des katalytischen Verhaltens insgesamt führen können (Science Express, 6. Mai 2004). Für ihre Experimente setzten sie eine neuartige Kombination von Modellmaterialien sowie modernste Molekularstrahltechniken ein.

Katalysatoren können chemische Reaktionen gezielt lenken und auf diese Weise dazu beitragen, die Entstehung von Umweltgiften zu vermeiden oder den Rohstoff- und Energieverbrauch industrieller chemischer Prozesse zu minimieren. Das Geheimnis der großen Wirksamkeit vieler Katalysatoren verbirgt sich in der Beschaffenheit ihrer Oberflächen. Diese zeichnen sich häufig durch besonders komplizierte Strukturen und Zusammensetzungen aus, die speziell auf die gewünschte chemische Reaktion abgestimmt werden. Wegen der vielen Faktoren, die dabei eine Rolle spielen, gibt ihre genaue Wirkungsweise der Wissenschaft bis heute Rätsel auf.

Viele Katalysatoren bestehen aus winzigen, nur wenige Nanometer (millionstel Millimeter) großen Metallteilchen. In der industriellen Katalyse ist dabei seit langem ein erstaunlicher Effekt bekannt: Wie die Teilchen reagieren, hängt stark von ihrer Größe ab. Die meisten Modelle, die Wissenschaftler zur Erklärung dieses Verhaltens heranziehen, gehen davon aus, dass sich die chemischen Bindungen an solchen so genannten "Nanoteilchen" stark von jenen an größeren Partikeln unterscheiden.

Wissenschaftler um Dr. Jörg Libuda vom Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft (Berlin) sind nun in Zusammenarbeit mit Arbeitsgruppen aus Göteborg (Schweden) und Marseille (Frankreich) einem neuen Phänomen auf der Spur, das zur Erklärung solcher Effekte beitragen könnte. Auf kleinen Katalysatorteilchen ist zu beobachten, dass die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion nicht konstant ist, sondern ständig schwankt. Diese spontanen Schwankungen, wissenschaftlich auch als Fluktuationen bezeichnet, werden umso größer, je kleiner die Teilchen sind. Die Forscher konnten nun zeigen, dass diese Schwankungen bei sehr kleinen Teilchen das Reaktionsverhalten des gesamten Katalysators stark beeinflussen können.

Dazu wurden im Labor die Oberflächen typischer Katalysatormaterialien nachgebildet: Die Wissenschaftler erzeugten aus Palladium winzige Teilchen mit wenigen Dutzend bis zu mehreren Millionen Oberflächenatomen. Diese Palladiumteilchen beschleunigen zum Beispiel die Reaktion von Kohlenmonoxid und Sauerstoff zu Kohlendioxid, die auch im Autoabgaskatalysator bei der Beseitigung des giftigen Kohlenmonoxids eine große Rolle spielt. Die Geschwindigkeit der Reaktion konnte dabei in einem so genannten Molekularstrahlexperiment sehr genau gemessen werden.

Eine Besonderheit der ausgewählten chemischen Reaktion liegt darin, dass die Katalysatorteilchen in zwei Reaktionszuständen vorliegen können (siehe Abbildung). Entweder befindet sich eine große Menge Sauerstoff oder aber Kohlenmonoxid auf dem Partikel. Große Partikel bleiben nun wegen der geringen Schwankungen dieser Sauerstoff- und Kohlenmonoxidmenge in einem der beiden Reaktionszustände gefangen. Bei kleinen Katalysatorteilchen hingegen sind diese Schwankungen so groß, dass die Partikel spontan und ohne äußeren Einfluss zwischen den beiden Zuständen hin- und herwechseln können. Wie schnell dieser Prozess ist, hängt dabei nicht nur von der Größe, sondern auch von der Oberflächenbeschaffenheit der Teilchen ab. In jedem Fall führt das aber zu einer starken Veränderung des katalytischen Verhaltens der gesamten Probe.

Obwohl die Experimente der Forschergruppen bislang auf die genannte Reaktion zwischen Kohlenmonoxid und Sauerstoff beschränkt sind, ist anzunehmen, dass viele andere Katalysator-Systeme ähnlich reagieren. Dr. Libuda erklärt: "Wir wissen, dass Fluktuationen ein allgemein gültiges Phänomen in der Nanochemie sind. Zukünftige Arbeiten müssen klären, welche Bedeutung sie für ein genaueres Verständnis katalytischer Prozesse haben".