TU Wien ent­deckt bei Che­mie­ato­men einen erstaun­li­chen Effekt, der Fahr­zeug­ka­ta­ly­sa­to­ren effek­ti­ver machen kann.

Wie die Scho­ko­la­den­gla­sur einer Torte schmeckt, sollte nicht davon abhän­gen, ob man sie auf einem Por­zel­lan- oder einem Sil­ber­tel­ler ser­viert. Auch für che­mi­sche Reak­tio­nen auf der Ober­flä­che von gro­ßen Edel­me­tall-Par­ti­keln sollte der Unter­grund (der soge­nannte Trä­ger) eigent­lich keine Rolle spie­len. Die Par­ti­kel haben oft einen Durch­mes­ser von vie­len tau­sen­den Ato­men, und somit sollte das Mate­rial, auf dem sie auf­lie­gen, für die che­mi­schen Reak­tio­nen auf der weit ent­fern­ten Ober­seite der Par­ti­kel keine große Bedeu­tung haben. So dachte man zumin­dest bisher.

Unter­su­chun­gen an der TU Wien brach­ten nun ein über­ra­schen­des Ergeb­nis: Die che­mi­schen Vor­gänge auf Pal­la­dium-Körn­chen, wie man sie auch für Abgas­ka­ta­ly­sa­to­ren ver­wen­det, ändern sich erstaun­li­cher­weise sehr deut­lich, wenn man sie auf bestimmte Trä­ger­ma­te­ria­lien plat­ziert – auch wenn diese Ober­flä­chen für die che­mi­sche Reak­tion selbst fast gar keine Rolle spie­len. Diese Erkennt­nis wurde nun im Fach­jour­nal „Nature Mate­ri­als“ publiziert.

Gif­ti­ges Kohlenmonoxid
Bei Fahr­zeu­gen mit Ver­bren­nungs­mo­tor muss gif­ti­ges Koh­len­mon­oxid (CO) in Koh­len­di­oxid (CO2) umge­wan­delt wer­den. Das geschieht mit Hilfe eines Kata­ly­sa­tors aus Pal­la­dium- oder Pla­tin­pul­ver. „Wir unter­su­chen die che­mi­schen Reak­tio­nen auf den Pul­ver­kör­nern, wie sie auch oft in der Indus­trie zur Kata­lyse ein­ge­setzt wer­den“, sagt Gün­ther Rup­p­rech­ter vom Insti­tut für Mate­ri­al­che­mie der TU Wien. 

Wenn die Ober­flä­che der Pul­ver­körn­chen mit Sau­er­stoff­ato­men bedeckt ist, kön­nen diese reagie­ren, aus CO-Mole­kü­len wird CO2 und in der Sau­er­stoff­schicht blei­ben Lücken zurück. Diese Lücken sol­len rasch von ande­ren Sau­er­stoff-Ato­men nach­be­setzt wer­den. Pro­ble­ma­tisch wird es, wenn CO-Mole­küle selbst diese Lücken aus­fül­len. Geschieht das in gro­ßem Aus­maß, sodass das Pul­ver­korn schließ­lich nicht mehr von einer Sau­er­stoff­schicht, son­dern mit einer CO-Schicht bedeckt ist, kann kein CO2 mehr gebil­det wer­den. Man spricht dann von der „Koh­len­mon­oxid-Ver­gif­tung“ des Kata­ly­sa­tors, die kata­ly­ti­sche Wir­kung erlischt.

Der Unter­grund beein­flusst das ganze Korn
Ob und wann das geschieht, hängt von der CO-Kon­zen­tra­tion im Abgas ab, das dem Kata­ly­sa­tor zuge­fügt wird. Wie Expe­ri­mente zei­gen, ist auch die Unter­lage der Pal­la­dium-Körn­chen ent­schei­dend. „Wenn die Körn­chen auf einer Ober­flä­che aus Zir­ko­ni­um­oxid oder Magne­si­um­oxid sit­zen, dann kommt es erst bei viel höhe­ren Koh­len­mon­oxid-Kon­zen­tra­tio­nen zur Kata­ly­sa­tor-Ver­gif­tung“, sagt Yuri Such­or­ski, der Erst­au­tor der Stu­die. Das sei für so große Pal­la­dium-Körn­chen auf den ers­ten Blick äußerst seltsam.
Lösen konnte man die­ses Rät­sel schließ­lich mit Hilfe des spe­zi­el­len Pho­to­emis­si­ons­elek­tro­nen­mi­kro­skops am Insti­tut für Mate­ri­al­che­mie der TU Wien. Mit die­sem Gerät kann man den räum­li­chen Ver­lauf einer kata­ly­ti­schen Reak­tion in Echt­zeit abbil­den. „Wir konn­ten so ganz deut­lich erken­nen, dass die Koh­len­mon­oxid-Ver­gif­tung immer am Rand eines Körn­chens beginnt – genau dort, wo es auf dem Trä­ger auf­liegt“, erklärt Such­or­ski. „Von dort aus brei­tet sich dann die „Koh­len­mon­oxid-Ver­gif­tung“ wie eine Welle über das ganze Körn­chen aus.“

Der beste Platz für eine Attacke
Der Rand, wo das Körn­chen direk­ten Kon­takt mit dem Unter­grund hat, ist also eine stra­te­gisch ent­schei­dende Stelle – und genau dort ist der Trä­ger in der Lage, die Eigen­schaf­ten des Metall­korns zu beein­flus­sen: „Berech­nun­gen unse­rer Koope­ra­ti­ons­part­ner von der Uni­ver­si­tät Bar­ce­lona zei­gen, dass die Bin­dung zwi­schen den Metall­ato­men des Körn­chens und der schüt­zen­den Sau­er­stoff­schicht genau am Auf­lage-Rand ver­stärkt ist“, sagt Gün­ther Rup­p­rech­ter. Die Pal­la­dium-Atome in direk­tem Kon­takt mit dem Trä­ger­oxid kön­nen den Sau­er­stoff also bes­ser festhalten.

Man könnte mei­nen, das sei für die weit ent­fernte Ober­seite des Körn­chens egal, denn der Unter­grund kann nur die am Rand lie­gen­den Atome ener­ge­tisch beein­flus­sen. Doch weil die Koh­len­mon­oxid-Ver­gif­tung genau an die­ser Stelle beginnt, hat die­ser kleine Effekt eine große stra­te­gi­sche Bedeu­tung. Der Auf­lage-Rand ist gewis­ser­ma­ßen die Schwach­stelle des Korns – und wenn diese Schwach­stelle ver­stärkt wird, weil die kata­ly­ti­sche Fähig­keit der Metall­atome genau dort von der Unter­lage posi­tiv beein­flusst wird, kann man das ganze Mikro­me­ter-große Kata­ly­sa­tor-Körn­chen vor der Koh­len­mon­oxid-Ver­gif­tung schützen.

„Schon heute wer­den ver­schie­dene Oxid­trä­ger in Kata­ly­sa­to­ren ein­ge­setzt, doch über ihre exakte Rolle wäh­rend der Kata­lyse im Hin­blick auf die CO-Ver­gif­tung gab es bis­her nur indi­rekte Hin­weise“, erläu­tert Rup­p­rech­ter. „Mit unse­ren Metho­den wird der Ablauf des Pro­zes­ses und sein wel­len­ar­ti­ger lang­reich­wei­ter Effekt erst­mals direkt sicht­bar, und das gibt uns ganz neue Mög­lich­kei­ten, Kata­ly­sa­to­ren zu verbessern.“

Die Arbei­ten wur­den im Rah­men des vom FWF geför­der­ten Spe­zi­al­for­schungs­be­reichs (SFB) FOXSI und in Koope­ra­tion mit der Uni­ver­si­tät Bar­ce­lona (Spa­nien) durchgeführt.