Wie sich Atome zusammenballen und vereinzeln lassen

30. Juli 2016, 14:00
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Wiener Physiker beobachten Platin-Atome auf Magnetit-Oberfläche

Wien – Mit Einzelatom-Katalysatoren sollen teure Katalysator-Materialien wie Gold oder Platin möglichst effizient eingesetzt werden. Dazu sollte man aber wissen, was genau sich an der Katalysator-Oberfläche abspielt. Wiener Physiker analysierten das Verhalten von Platin-Atomen auf Magnetit-Oberflächen und berichten nun im Fachjournal "PNAS", wie sie sich zusammenballen und auch wieder vereinzeln lassen.

Bei Einzelatom-Katalysatoren werden möglichst kleine Nano-Partikel auf eine Oberfläche aufgebracht. "In den vergangenen drei Jahren wurden bereits zahlreiche solche Einzelatom-Katalysatoren präsentiert, für eine Reihe unterschiedlicher Reaktionen und mit einer Reihe verschiedener Metalle", erklärte Gareth Parkinson vom Institut für Angewandte Physik der Technischen Universität (TU) Wien. Allerdings seien diese noch nicht sehr gut charakterisiert und die genauen Vorgänge an den Oberflächen noch unbekannt.

Bei den Katalysator-Materialien, die chemische Reaktionen beschleunigen bzw. überhaupt erst ermöglichen, handelt es sich vor allem um Metalle, die in Katalysatoren als Nano-Partikel zum Einsatz kommen. Selbst wenn ein so kleines Partikel nur 1.000 Atome enthält, ist nur ein kleiner Teil davon an der Oberfläche und damit für die Reaktion verfügbar, der Rest ist im Inneren des Partikels verschwendet. Die Idee sei deshalb, die Partikel möglichst klein zu machen, mit dem ultimativen Ziel von einzelnen Atomen, sagte Parkinson.

Das seltsame Verhalten von Magnetit

Dazu muss man aber genau verstehen, was sich auf der Oberfläche abspielt. Die TU-Forscher um Ulrike Diebold und Gareth Parkinson haben vor zwei Jahren das merkwürdige Verhalten von Magnetit (Fe3O4) geklärt, auf dem sich etwa Gold- oder Platin-Atome gleichmäßig einzeln verteilen und üblicherweise nicht zusammenballen. Unter bestimmten Bedingungen können allerdings die Metallatome zu winzigen Clustern zusammenwachsen.

Wie das genau passiert hat Roland Bliem gemeinsam mit Diebold und Parkinson mit Hilfe eines Rastertunnelmikroskops geklärt. Üblicherweise ist die Verbindung zwischen Platin-Atomen viel stärker als zwischen Platin und der Magnetit-Oberfläche. Deren besondere Struktur hindert die Platin-Atome aber am Zusammenballen, sie werden einzeln von den Sauerstoff-Atomen des Magnetits festgehalten.

Als "Kuppler" kann allerdings Kohlenmonoxid (CO) fungieren. Kommt ein CO-Molekül mit der Oberfläche in Kontakt, dockt es an ein Platin-Atom an und hebt dieses regelrecht von der Oberfläche ab. Damit wird das Platin mobil und der Platin-Kohlenmonoxid-Komplex beginnt auf der Magnetit-Oberfläche zu wandern. Sobald dieser Komplex auf eine andere derartige Verbindung trifft, gehen die beiden Platin-Atome eine feste Bindung ein.

Die Wissenschafter haben aber auch gezeigt, dass sich bei einer Temperatur von 250 Grad Celsius das CO vom Platin trennt und die Zweierbindungen zwischen den Platin-Atomen aufbrechen. Die Atome lagern sich wieder einsam an unterschiedlichen Plätzen der Magnetit-Oberfläche an.

Die Wissenschafter konnten mit Hilfe des Rastertunnelmikroskops die Mobilität und das Wachstum von Platin nicht nur live mitverfolgen. Sie haben auch aufwändige theoretische Berechnungen angestellt und können das Verhalten der Platin-Atome auch quantenphysikalisch erklären. (APA, 30.7.2016)

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