Bei mehr als 90 Prozent aller chemischen Produkte unseres Alltags kommt im Laufe ihrer Herstellung ein Katalysator zum Einsatz. Katalysatoren machen chemische Reaktionen schneller, können deren Energieverbrauch senken und machen manche Reaktionen überhaupt erst möglich. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben ein Konzept entwickelt, das die Stabilität von Edelmetall-Katalysatoren erhöht und die Menge des eingesetzten Edelmetalls reduziert. Ihre Studie ist als „Very Important Paper“ in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie veröffentlicht (DOI: 10.1002/anie.202408511).
Ziel ist bestmögliche Katalysatorleistung
Edelmetall-Katalysatoren werden in zahlreichen Prozessen in der chemischen Industrie eingesetzt. Die Menge des dabei eingesetzten Edelmetalls zu reduzieren, ist ein wichtiger Beitrag zur Ressourcenschonung. „Mit unserem Ansatz wird die Katalysatorstabilität drastisch verbessert und die Bildung von aktiven Edelmetall-Clustern selbst bei niedrigen Edelmetall-Gehalten gewährleistet“, sagt Dr. Daria Gashnikova vom Institut für Technische Chemie und Polymerchemie (ITCP) des KIT, die Erstautorin der Studie. Um bestmögliche Katalysatorleistung mit möglichst geringem Einsatz von Edelmetallen zu erreichen, haben die Forschenden am ITCP die häufig eingesetzten geträgerten Katalysatoren atomgenau in den Blick genommen. Bei diesen geträgerten Katalysatoren liegt das Material, an dem die Reaktion abläuft, in Form kleiner Nanopartikel fein verteilt auf einem Trägermaterial vor. Diese Cluster sind dynamisch und verändern ihre Struktur je nach Reaktionsbedingungen. Sie können sich miteinander verbinden und zu größeren Partikeln wachsen, sodass weniger Oberflächenatome für die Reaktion zur Verfügung stehen. Sie können aber auch zu einzelnen Atomen zerfallen, die alleine ihre Arbeit nicht leisten können. Beides vermindert die Leistung von Katalysatoren. Die Forschenden am ITCP lösen dieses Problem in ihrem neuartigen Konzept, indem sie die unterschiedliche Wechselwirkung von Edelmetallen mit verschiedenen Trägermaterialien nutzen.
Neu designtes Trägermaterial – Edelmetallatome sammeln sich auf Ceroxid-„Inseln“
„Edelmetalle, zum Beispiel Palladium, binden sehr stark an Ceroxid, wechselwirken aber nur schwach mit Aluminiumoxid“, erklärt Gashnikova. „Deshalb haben wir Palladium auf winzig kleine Ceroxid-‚Nanoinseln‘ aufgebracht, die ihrerseits auf Aluminiumoxid fein verteilt wurden“, so die Wissenschaftlerin. Durch die Optimierung des Trägermaterials wird erreicht, dass sich die Edelmetall-Atome bevorzugt auf den Ceroxid-Inseln sammeln. Der Abstand der Inseln voneinander einerseits und die eingeschränkte Mobilität von Palladium, wenn es sich auf Ceroxid befindet, andererseits verhindern im Zusammenspiel sowohl die Bildung zu großer Cluster als auch den Zerfall des Palladiums in Einzelatome. Die Größe der Edelmetall-Cluster ist durch die Anzahl an Edelmetall-Atomen auf den einzelnen Ceroxid-Inseln definiert. „Der Traum ist es, die gesamte Lebensdauer des Katalysators auf diesem schmalen goldenen Grat zu wandern und nach Möglichkeit kleine Partikel, die nur aus zehn bis 50 Atomen bestehen zu stabilisieren“, sagt Professor Jan-Dierk Grunwaldt, Mitglied der Institutsleitung des ITCP und Sprecher des Sonderforschungsbereichs (SFB) 1441 „TrackAct“.
Sonderforschungsbereich 1441 „TrackAct“
In dem durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft geförderten SFB 1441 TrackAct befassen sich mehr als 20 Arbeitsgruppen interdisziplinär damit, die grundlegenden katalytischen Prozesse besser zu verstehen. Das am ITCP entwickelte Konzept ist eines der bisherigen Schlüsselergebnisse des 2021 gestarteten SFBs, in dem das KIT gemeinsam mit der TU München und dem Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY forscht. „Das fundamentale Verständnis von Struktur und Mechanismus der Katalysatoren wird uns eine Art Werkzeugkasten an die Hand geben, mit dem wir wissensbasiert und effizient für jeden einzelnen Prozess optimale Katalysatoren designen können,“ sagt Dr. Florian Maurer, Koordinator von TrackAc “ und Mitautor der Studie.
https://doi.org/10.1002/anie.202408511 (internationale Ausgabe)
https://doi.org/10.1002/ange.202408511 (deutsche Ausgabe)
Videos:
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Konzept fuer leistungsfaehigere Edelmetall-Katalysatoren