"Feinster Goldstaub der Welt" für Entwicklung von Katalysatoren

Eisenoxid-Oberfläche hindert Goldatome daran, sich zu winzigen Klümpchen zusammenzuballen

Wien - Gold kann als Katalysator den Ablauf chemischer Reaktionen unterstützen. Diese Wirkung hängt allerdings mit der Größe zusammen. Denn Goldatome verbinden sich meist rasch zu winzigen Klümpchen - doch je kleiner die Goldpartikel, desto höher die chemische Aktivität. Wissenschaftern der Technischen Universität (TU) Wien ist es nun gelungen, einzelne Goldatome auf einer Oberfläche zu fixieren. Ihre im Fachjournal "Physical Review Letters" veröffentlichte Arbeit könnte effizientere und billigere Katalysatoren ermöglichen.

Gold wird bereits in zahlreichen industriellen Verfahren als Katalysator eingesetzt, primär in Form von Goldpartikeln im Nano-Bereich, erklärt Ulrike Diebold vom TU-Institut für Angewandte Physik. Ein klassisches Einsatzgebiet ist die Oxidation von giftigem Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid. Dies wird etwa in Brennstoffzellen genutzt, wo das stark an Oberflächen bindende CO in kurzer Zeit die Funktion der Zelle einschränken würde.

Das Verfahren

Nach Angaben der Wissenschafter gibt es starke Hinweise darauf, dass die katalytische Wirkung besonders groß ist, wenn die Goldatome einzeln vorliegen. Bisher konnte das aber nicht genau untersucht werden. "Bringt man Goldatome auf eine Oberfläche auf, ballen sie sich zu Nanopartikeln zusammen - die Wirkung einzelner Goldatome ist daher schwer zu messen", erklärte Gareth Parkinson von der TU Wien. Nur bei tiefen Temperaturen ließe sich das Zusammenballen der Goldatome verhindern, allerdings laufen dann die gewünschten chemischen Reaktionen gar nicht mehr ab.

Die TU-Forscher haben nun eine spezielle Eisenoxid-Oberfläche kreiert, mit der sich die einzelnen Goldatome festhalten lassen - im Ergebnis entsteht gleichsam der feinste Goldstaub der Welt. Der Schlüssel zum Erfolg liegt in winzigen Verzerrungen des Eisenoxid-Kristallgitters: Die Sauerstoff-Atome auf der Oberfläche sind nicht streng in geraden Reihen ausgerichtet, sondern werden durch die darunterliegenden Atome zu Schlangenlinien verformt. Dort wo sich die Sauerstoff-Reihen nahekommen, kann sich ein Goldatom dauerhaft anlagern, ohne den Halt zu verlieren und sich zusammenzuklumpen. Selbst beim Erhitzen der Oberfläche auf 400 Grad Celsius bleiben die Goldatome noch einzeln an ihrem Platz.

"Wir konnten damit ein ideales Modellsystem herstellen, mit dem man die chemische Reaktivität einzelner Atome untersuchen kann", erklärte Diebold. Sie erwartet durch die neu entwickelte Methode die Klärung wichtiger Fragen der Katalyse. (APA/red, derStandard.at, 2.6.2012)