Das Rätsel der Platonischen Katalysatoren ist gelüftet

19. Dezember 2015

Der Wachstumsmechanismus von Platin-Nickel-Oktaederpartikeln ist aufgeklärt. Arbeit von UniCat-Professor Peter Strasser im Wissenschaftsjournal „Science“

Einem Forscherteam um Peter Strasser (Forschungsfelder D3 und E3) ist es gelungen, den chemischen Wachstumsmechanismus von Platin-Nickel-Oktaederpartikeln aufzuklären. Damit liefern die Forscher fundamental neue wissenschaftliche Erkenntnisse, die es künftig ermöglichen werden, viele andere Materialien in ihrer Funktion als Katalysatoren zu verbessern.

Kugelförmige Metallpartikel mit einem Durchmesser von wenigen Nanometern, dem Zehntausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares, werden wegen ihrer reaktionsbeschleunigenden Wirkung als Katalysatoren für viele großtechnische Verfahren in der chemischen Industrie eingesetzt.

Aufgrund ihrer Kugelform variiert die geometrische Anordnung ihrer Metallatome an der Oberfläche aber sehr, und da jede einzelne geometrische Anordnung eine stark unterschiedliche katalytische Wirkung zeigt, ist die katalytische Wirkung gewöhnlich nicht optimal. Besser wäre es, Metallpartikel in der Form von Platonischen Körpern, wie dem Tetraeder, Oktaeder oder Würfel zu präparieren, da diese mathematischen Gebilde von Natur aus überall auf ihrer Oberfläche eine für sie typische geometrische Atomanordnung zeigen. Kennt man die katalytische Aktivität dieser atomaren Geometrien, lässt sich vorhersagen, ob ein würfelförmiges oder rein oktaedrisches Metallpartikel für die chemische Reaktion optimal wäre. Für monometallische, aus einer Atomsorte bestehende Partikel ist dies bereits sehr gut untersucht.

Sehr viel schwieriger ist es, Platonische Katalysatoren bestehend aus zwei verschiedenen Atomsorten herzustellen. Die atomaren Prozesse der Entstehung und des Wachstums solcher Platonischer bimetallischer Katalysatoren waren bisher unbekannt. Man nahm an, dass bimetallische Oktaeder in ihrer Form geboren werden und danach einfach größer werden. Das hat sich als falsch herausgestellt.

Anhand eines oktaedrisch geformten, bimetallischen Metallpartikelkatalysators, bestehend aus Platin(Pt)- und Nickel-Atomen (Ni), ist es dem Team unter Leitung von TU-Professor Dr. Peter Strasser gelungen, den chemischen Wachstumsmechanismus solcher Platin-Nickel-Oktaederpartikel aufzuklären. Damit liefern die Forscher fundamental neue wissenschaftliche Erkenntnisse, die es künftig ermöglichen werden, viele andere Materialien in ihrer Funktion als Katalysatoren zu verbessern.

Das Interesse an oktaedrisch geformten Platin-Nickel-Partikeln ist groß, da sie als die leistungsstärksten Metallkatalysatoren für Brennstoffzellen gelten und die benötigte Platinmenge im Vergleich zu kugelförmigen Platin-Nickel-Katalysatoren um das Zwei- bis Dreifache senken würden.

In Zusammenarbeit mit dem Ernst-Ruska-Centrum für Elektronenmikroskopie des Forschungszentrums Jülich und der RWTH Aachen fanden die Forscher heraus, dass die Oktaeder als kugelförmige Gebilde geboren werden und dann ein einzigartiger selbstorganisierter Mechanismus einsetzt, der die acht gleichförmigen Flächen eines Oktaeders schrittweise entstehen lässt. Zunächst bildet sich ein reguläres sechsarmiges geometrisches Gebilde, das „Hexapod“, das vorwiegend aus Platin-Atomen besteht, an dem sich die Nickel-Atome bevorzugt in den Hohlräumen zwischen den sechs Armen anlagern, um schließlich die Oktaederform zu komplettieren. Am Ende sind die Nickel- und Platin-Atome stark anisotrop, also nicht gleichmäßig im Katalysatorpartikel und an seiner Oberfläche verteilt. Das Rätsel um diese atomspezifische Anisotropie ist nun gelüftet.

Die Original-Publikation findet man auf folgender Seite:http://www.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/science.1261212

Weitere Informationen erteilt Ihnen gern:

Prof. Dr. Peter Strasser
TU Berlin
Institut für Chemie
Fachgebiet Elektrokatalyse – Elektrochemie - Materialien

Tel.: 030/314- 22261
E-Mail: pstrasser(at)tu-berlin.de