Dank einer Entdeckung von Tao Zhang könnte die chemische Industrie deutlich Kosten sparen. Viele Umsetzungen werden durch Katalysatoren unterstützt. Diese Zusätze bewirken, dass eine chemische Reaktion deutlich schneller und mit weniger Energieaufwand abläuft als sonst; manche Umsetzungen funktionieren ohne Katalysatoren überhaupt nicht. Der Haken dabei: Viele Reaktionsbeschleuniger bestehen aus fein verteilten Edelmetallen, Nanoteilchen aus Platin oder Palladium, und sie sind entsprechend teuer. Genau hier setzt die Entdeckung des Professors am Institut für Chemische Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften an.
"Atome, die im Inneren der Nanoteilchen liegen, sind an der katalytischen Reaktion nicht beteiligt. Indem wir die Atome einzeln auf eine Oberfläche bringen, sorgen wir dafür, dass sie alle eine Rolle spielen. Wir brauchen also weniger Edelmetall, um die gleiche Menge Chemikalien umzusetzen. Das macht den Katalysator deutlich billiger."
Zhang versuchte deshalb, einzelne Platin-Atome auf einer kostengünstigen Unterlage sozusagen festzukleben. Um das zu erreichen, ersetzte er bei der Herstellung einfach 99,8 Prozent des Platin-Rohmaterials durch Eisenoxid. Damit auch wirklich jedes Platin-Atom für sich allein blieb und sich nicht mit seinesgleichen zu größeren Teilchen zusammenballte, wandte er einen zusätzlichen Trick an. Er erzeugte gezielt Defekte in der Struktur des Eisenoxid-Trägermaterials.
"Das ist so, als hätten wir ein kleines Loch in den Boden gegraben. Ein Ball, der herumrollt, bleibt darin stecken. Vor allem, wenn man noch einen Klebstoff ins Loch füllt. Ich habe also Defekte in der Unterlage dazu genutzt, die einzelnen Atome zu verteilen. Und um sie zu stabilisieren, habe ich die Oberfläche innerhalb der Löcher chemisch so verändert, dass die Atome daran haften. Das ist wirklich so, als würden wir die Atome festkleben – und deshalb bekommen wir Proben mit sehr stabilen Einzelatomen."
Das ist im Elektronenmikroskop zu sehen: Wie Pickel auf unreiner Haut sind die Platinatome gleichmäßig auf der Eisenoxid-Oberfläche verankert. Mit Atomen des besonders seltenen Edelmetalls Iridium gelingt das ebenfalls. Auch außerhalb Chinas war die Methode erfolgreich: US-Chemiker haben Palladiumatome auf einem Aluminium-Untergrund befestigt. Als Zhang seine Proben als Katalysatoren testete, war er begeistert.
"Sie funktionieren ausgezeichnet. Anfangs wussten wir nicht, ob die einzelnen Atome als Katalysatoren wirken würden oder nicht. Da haben wir großes Glück gehabt. Und nachdem es keine größeren Teilchen gibt, sondern nur einzelne Atome, sind wir sicher, dass diese die einzigen katalytisch aktiven Zentren sind."
Doch genau das ist nach Meinung anderer Fachleute noch nicht klar. Sie argumentieren: Es könnte ja sein, dass nicht die einzelnen Atome allein als Katalysatoren wirken, sondern dass auch der Untergrund aus Eisenoxid beteiligt ist. Untersuchungen zu dieser Frage laufen derzeit. Doch das ist eher ein akademisches Problem. Denn unabhängig vom genauen Reaktionsmechanismus kann bei der Katalyse viel Edelmetall eingespart werden. Das konnte Tao Zhang beispielhaft an Hand zweier wichtiger Umsetzungen zeigen, bei denen reiner Wasserstoff hergestellt wird, etwa für Brennstoffzellenantriebe.
"Wir hoffen, dass wir schon bald solche Katalysatoren für verschiedene Anwendungen auf den Markt bringen können. Das wird den Preis von Edelmetall-Katalysatoren senken. Wir arbeiten mit einer großen Firma zusammen, um Einzelatom-Katalysatoren für unterschiedliche Reaktionen herzustellen."
Darunter ist eine der wichtigsten Reaktionen, bei denen Platin-Katalysatoren gebraucht werden: die Reinigung von Autoabgasen. Vielleicht trägt die Entdeckung aus China also sogar dazu bei, dass Autos billiger werden.
"Atome, die im Inneren der Nanoteilchen liegen, sind an der katalytischen Reaktion nicht beteiligt. Indem wir die Atome einzeln auf eine Oberfläche bringen, sorgen wir dafür, dass sie alle eine Rolle spielen. Wir brauchen also weniger Edelmetall, um die gleiche Menge Chemikalien umzusetzen. Das macht den Katalysator deutlich billiger."
Zhang versuchte deshalb, einzelne Platin-Atome auf einer kostengünstigen Unterlage sozusagen festzukleben. Um das zu erreichen, ersetzte er bei der Herstellung einfach 99,8 Prozent des Platin-Rohmaterials durch Eisenoxid. Damit auch wirklich jedes Platin-Atom für sich allein blieb und sich nicht mit seinesgleichen zu größeren Teilchen zusammenballte, wandte er einen zusätzlichen Trick an. Er erzeugte gezielt Defekte in der Struktur des Eisenoxid-Trägermaterials.
"Das ist so, als hätten wir ein kleines Loch in den Boden gegraben. Ein Ball, der herumrollt, bleibt darin stecken. Vor allem, wenn man noch einen Klebstoff ins Loch füllt. Ich habe also Defekte in der Unterlage dazu genutzt, die einzelnen Atome zu verteilen. Und um sie zu stabilisieren, habe ich die Oberfläche innerhalb der Löcher chemisch so verändert, dass die Atome daran haften. Das ist wirklich so, als würden wir die Atome festkleben – und deshalb bekommen wir Proben mit sehr stabilen Einzelatomen."
Das ist im Elektronenmikroskop zu sehen: Wie Pickel auf unreiner Haut sind die Platinatome gleichmäßig auf der Eisenoxid-Oberfläche verankert. Mit Atomen des besonders seltenen Edelmetalls Iridium gelingt das ebenfalls. Auch außerhalb Chinas war die Methode erfolgreich: US-Chemiker haben Palladiumatome auf einem Aluminium-Untergrund befestigt. Als Zhang seine Proben als Katalysatoren testete, war er begeistert.
"Sie funktionieren ausgezeichnet. Anfangs wussten wir nicht, ob die einzelnen Atome als Katalysatoren wirken würden oder nicht. Da haben wir großes Glück gehabt. Und nachdem es keine größeren Teilchen gibt, sondern nur einzelne Atome, sind wir sicher, dass diese die einzigen katalytisch aktiven Zentren sind."
Doch genau das ist nach Meinung anderer Fachleute noch nicht klar. Sie argumentieren: Es könnte ja sein, dass nicht die einzelnen Atome allein als Katalysatoren wirken, sondern dass auch der Untergrund aus Eisenoxid beteiligt ist. Untersuchungen zu dieser Frage laufen derzeit. Doch das ist eher ein akademisches Problem. Denn unabhängig vom genauen Reaktionsmechanismus kann bei der Katalyse viel Edelmetall eingespart werden. Das konnte Tao Zhang beispielhaft an Hand zweier wichtiger Umsetzungen zeigen, bei denen reiner Wasserstoff hergestellt wird, etwa für Brennstoffzellenantriebe.
"Wir hoffen, dass wir schon bald solche Katalysatoren für verschiedene Anwendungen auf den Markt bringen können. Das wird den Preis von Edelmetall-Katalysatoren senken. Wir arbeiten mit einer großen Firma zusammen, um Einzelatom-Katalysatoren für unterschiedliche Reaktionen herzustellen."
Darunter ist eine der wichtigsten Reaktionen, bei denen Platin-Katalysatoren gebraucht werden: die Reinigung von Autoabgasen. Vielleicht trägt die Entdeckung aus China also sogar dazu bei, dass Autos billiger werden.