Katalyse an biometallischen Nanopartikeln

Kleinste aus Metallatomen zusammengesetzte Partikel oder Cluster unterscheiden sich vom ausgedehnten metallischen Festkörper dadurch, dass ein Großteil der Atome im sogenannten Metallcluster an der Oberfläche lokalisiert ist und nur wenige in eine geordnete, symmetrische Gitterumgebung eingebettet sind. Oberflächenatome können leicht mit Gasmolekülen wechselwirken und weisen daher eine erhöhte Reaktivität auf. Diesen Effekt macht man sich in vielen chemischen Verfahren zunutze, wobei zusätzliche Vorteile aus einer Mischung unterschiedlicher Metalle oder Metalloxide entstehen können. Chemiekonzerne sind auf der Suche nach optimalen Rezepturen, die es ihnen erlaubt, eine Reaktion zu beschleunigen und die Produktverteilung in die gewünschte Richtung zu lenken. In diesem Projekt verwenden wir ein neuartiges, unkonventionelles Verfahren zur Erzeugung bimetallischer Cluster mit hinreichend gut definierten Durchmessern und einer genau vorgegebenen Schalenstruktur. In ihrem Aufbau erinnern sie an die berühmten Mozartkugeln, eine österreichische Spezialität, sind aber mit Durchmessern von wenigen Nanometern deutlich kleiner! Diese Nano-Mozartkugeln werden gleich nach ihrer Erzeugung innerhalb derselben Apparatur hinsichtlich ihrer chemischen Eigenschaften getestet. Für das Projekt wurden zwei recht unterschiedliche Reaktionen ausgewählt. Die erste Reaktion spielt in der Erdölindustrie eine große Rolle und beschreibt die selektive Anlagerung von Wasserstoff an Butadien. Hier geht es um das selektive Entfernen von Butadien aus Gemischen mit Isobuten. Die zweite Reaktion, die Oxidation von Stickstoffmonoxid, ist uns vom Autokatalysator gut bekannt. Für die erste Reaktion testen wir eine Kupfer-Gold-Schalenstruktur, für die zweite eine Kupfer- Vanadiumoxid-Schalenstruktur. Ein Ziel dieser Studie ist es, die Möglichkeit zur Reduktion bzw. gar zur kompletten Ersetzung von seltenen Erden oder teuren Übergangsmetallen durch günstigere Alternativen zu prüfen. Hier bietet sich Kupfer als Zutat an und findet daher in beiden Untersuchungen Anwendung als Kernkomponente unserer bimetallischen Nanopartikel.

Kleinste aus Metallatomen zusammengesetzte Partikel oder Cluster unterscheiden sich vom ausgedehnten metallischen Festkörper dadurch, dass ein Großteil der Atome an der Oberfläche sitzt und nur wenige in eine geordnete, nach allen drei Raumrichtungen symmetrische Gitterumgebung eingebettet sind. Zum einen verursacht dies eine oft sehr starke Abweichung von den bekannten Eigenschaften des Metalls, zum Beispiel seines Schmelzpunktes oder seiner Leitfähigkeit. Zum anderen können diese etwas unzufriedenen Oberflächenatome leicht mit Gasmolekülen wechselwirken und weisen daher eine erhöhte Reaktivität auf. Diesen Effekt macht man sich in vielen chemischen Verfahren zunutze, wobei zusätzliche Vorteile aus einer Mischung unterschiedlicher Metalle oder Metalloxide entstehen können. Chemiekonzerne sind auf der Suche nach optimalen Rezepturen, die es ihnen erlauben, eine Reaktion zu beschleunigen und die Produktverteilung in die gewünschte Richtung zu lenken. In diesem Projekt haben wir ein neuartiges, unkonventionelles Verfahren zur Erzeugung bimetallischer Cluster verwendet, das es uns erlaubt, annähernd kugelförmige Partikel zu erzeugen, die einen gut definierten Durchmesser und eine genau vorgegebene Schalenstruktur aufweisen. In ihrem Aufbau erinnern sie an die berühmten Mozartkugeln, eine österreichische Spezialität, sind aber mit Durchmessern von wenigen Nanometern etwa um einen Faktor 106 kleiner! Diese Nano-Mozartkugeln wurden gleich nach ihrer Erzeugung innerhalb derselben Apparatur hinsichtlich ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften getestet. Vor allem ihre Stabilität bei erhöhten Temperaturen hat uns hier sehr interessiert, da bei einer späteren Verwendung als Katalysatoren sonst unerwünschte Strukturänderungen oder gar ganze Phasenumwandlungen auftreten könnten, die eine katalytische Aktivität bei Temperaturen im Bereich mehrerer hundert Grad Celsius komplett unterbinden würden. Wir konnten zeigen, dass mit unserem Verfahren fast jede beliebige Kombination von Metallen in Mozartkugel-Form erzeugt werden kann, und dass reaktivere Metalle durch eine ausreichend dicke Umhüllung mit Gold (etwa drei Atomlagen) erfolgreich passiviert werden können. Dadurch ergeben sich viele interessante Möglichkeiten, z.B. ein Einsparungs- potential bei der Verwendung von Edelmetallen, oder die Kombination von magnetischen Materialien wie Eisen, das bei diesen Größenordnungen sofort komplett durchoxidieren bzw. verrosten würde, mit körperverträglichen Metallen wie Gold, um z.B. einen über Magnetfelder gesteuerten Wirkstofftransport im menschlichen Körper zu erlauben. Mit dem Elektronenmikroskop konnten wir Oxidationsvorgänge an den Metallclustern teilweise sogar mit atomarer Auflösung studieren, und haben ein neues Messverfahren für Diffusionsprozesse in Legierungen vorgestellt. Der letzte Teil unseres Projekts war dem Vanadium gewidmet, einem ganz besonderen Übergangsmetall, das als Oxid auch im Abgaskatalysator im Auto Anwendung findet. Hier konnten wir erstmals belegen, dass Vanadium(V)oxid selbst bei seiner Verdampfung noch als Salz vorliegt, und bei anschließender Kondensation Nanopartikel mit genau demselben Verhältnis von O zur V wachsen können eine kleine Sensation, die diesem Katalysatormaterial zu weiteren Einsatzmöglichkeiten verhelfen könnte.