26.01.2021 - Technische Universität Wien

Überraschende Effekte: Einzelne Atome als Katalysatoren

Seit Jahren versucht man, Metallpartikel in Katalysatoren immer kleiner zu machen: Wenn man bei der kleinstmöglichen Größe ankommt, ist plötzlich alles anders

Metalle wie Gold oder Platin werden oft als Katalysatoren eingesetzt. So dient Platin etwa in Fahrzeugkatalysatoren dazu, giftiges Kohlenmonoxid in ungiftiges Kohlendioxid umzuwandeln. Aufgrund der hohen Kosten solcher Edelmetalle versucht man, sie in Form immer kleinerer Partikel zu nutzen. 

Der logische Endpunkt dieser Entwicklung sind Einzelatom-Katalysatoren: Das Metall liegt dann nicht mehr in Form von Partikeln vor, sondern in Form einzelner Atome, die auf einer Oberfläche festgehalten werden. Doch einzelne Atome kann man nicht mehr mit den Regeln beschreiben, die man von größeren Metallstücken kennt. Die Gesetze, die für solche Einzelatom-Katalysatoren gelten, müssen daher völlig neu erforscht werden – und das gelang nun an der TU Wien. Dabei zeigte sich: Verwendet man einzelne Atome, sind manchmal auch viel kostengünstigere Materialien effektiver.

Das Zusammenspiel der Atome

„Warum manche Edelmetalle gute Katalysatoren sind, hat man schon in den 1970er-Jahren erforscht“, sagt Prof. Gareth Parkinson vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien. „Etwa vom Chemiker Gerhard Ertl, der dafür 2007 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde.“

In einem Stück Metall lässt sich nicht jedes Elektron einem bestimmten Atom zuordnen, die Elektronenzustände ergeben sich durch das Zusammenspiel vieler Atome. Die Energie der Elektronen wird nicht bloß von den Eigenschaften eines Metallatoms festgelegt, sondern vom Metallstück insgesamt.

Für chemische Prozesse spielen nur die äußeren Atome des Metalls eine Rolle – die Atome im Inneren des Metallstücks kommen schließlich mit der Umgebung niemals in Kontakt. Wenn man Material sparen möchte, ist es daher am besten, statt großer Metallklumpen winzige Metallpartikel zu verwenden, bei denen sich ein großer Anteil der Atome an der Oberfläche befindet und sich an der Katalyse beteiligen kann. Daher war die Idee naheliegend, das Metall in Form einzelner Atome zu verwenden, damit jedes einzelne Metallatom chemisch aktiv sein kann. Und tatsächlich lassen sich auf diese Weise große Erfolge erzielen.

Falsches Modell, richtige Lösung

„Das Verwirrende daran ist nur: Bei einzelnen Atomen sind die Modelle eigentlich gar nicht mehr anwendbar, mit denen man bisher erklärt hatte, warum diese Edelmetalle so gute Katalysatoren sind“, sagt Gareth Parkinson. „Einzelatome können sich keine Elektronen teilen, die Elektronenbänder, deren Energie man für den Schlüssel zur Erklärung der Katalyse gehalten hatte, gibt es in diesem Fall einfach nicht.“

Intensiv untersuchte Gareth Parkinson mit seinem Team daher in den letzten Jahren, welche atomaren Mechanismen hinter dieser Einzelatom-Katalyse stecken. „Es ist zwar bemerkenswert, dass die Metalle, die wir als gute Katalysatoren kennen, auch in Form einzelner Atome gute Katalysatoren sind, aber bei näherer Betrachtung zeigt sich: Das ist kein Zufall“, sagt Gareth Parkinson. „Es sind nämlich in beiden Fällen dieselben Elektronen, die sogenannten d-Elektronen, die dafür verantwortlich sind.“

Maßgeschneiderte Eigenschaften durch passende Oberflächen

Allerdings ergeben sich in der Einzelatom-Katalyse völlig neue Möglichkeiten, die man bei der Verwendung gewöhnlicher Metallpartikel nicht hat: „Je nachdem, auf welchem Untergrund wir die Metallatome platzieren und welche atomaren Bindungen sie dabei eingehen, können wir die Reaktivität der Atome verändern“, erklärt Parkinson. 

Und das bedeutet in manchen Fällen, dass besonders teure Metalle wie etwa Platin nicht mehr notwendigerweise die beste Wahl sind. „Wir haben etwa große Erfolge mit einzelnen Nickel-Atomen erzielt. Wenn man die atomaren Mechanismen der Einzelatom-Katalyse versteht, hat man plötzlich viel mehr Spielraum, die chemischen Prozesse zu beeinflussen“, sagt Parkinson. 

Acht unterschiedliche Metalle wurden an der TU Wien auf diese Weise genau analysiert – die Ergebnisse passen hervorragend zu den theoretischen Modellen, die gemeinsam mit Prof. Cesare Franchini von der Universität Wien entwickelt wurden.

„Katalysatoren sind in vielen Bereichen sehr wichtig, gerade auch wenn es um chemische Reaktionen geht, die für unsere Umwelt eine große Rolle spielen“, betont Gareth Parkinson. „Unser neuer Zugang zeigt: Es muss nicht immer Platin sein.“ Entscheidend ist die lokale Umgebung der Atome – und wenn man sie richtig wählt, kann man bessere Katalysatoren entwickeln und gleichzeitig sogar noch Ressourcen und Kosten sparen.

  • J. Hulva et al.; "Unravelling CO adsorption on model single-atom catalysts"; Science (2021).
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