Tanz der Atome
Katalysatoren können ihre Wirkung verlieren, wenn die aktiven Atome auf der Oberfläche zu wandern beginnen. An der TU Wien konnte man diesen Tanz der Atome nun beobachten und erklären.
Einzelne Pd-Atome auf der Oberfläche sind zu sehen (Bild 1). Eines von ihnen wird angehoben und mobilisiert (weißer Fleck, Bild 2) und bewegt sich über die Oberfläche (Bild 3 und 4).
TU Wien
Das Pd-Atom auf der Oberfläche (oben) wird durch das CO-Molekül angehoben, wodurch es beweglich wird.
TU Wien
Wer alleine an der Tanzfläche steht, bewegt sich kaum. Erst wenn man den richtigen Tanzpartner findet, beginnt eine rasche Bewegung. Ähnlich verhalten sich Atome auf Eisenoxid-Oberflächen: Nur mit dem richtigen molekularen Partner starten sie einen rasanten Tanz. Das kann allerdings dazu führen, dass sie am Ende verklumpen – ein Effekt, der bei Katalysatoren großen Schaden anrichtet. An der TU Wien gelang es, die einzelnen Atome dabei zu filmen und so zu beweisen, dass Kohlenmonoxid als Partner für die rasche Bewegung und den gefürchteten Verklumpungseffekt verantwortlich ist. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal „Nature Materials“ veröffentlicht.
Klumpen sind Materialverschwendung
„Metalle wie Gold oder Palladium werden oft als Katalysatoren eingesetzt um verschiedene chemische Reaktionen zu beschleunigen“, erklärt Prof. Ulrike Diebold vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien. Wenn sich die Metallatome verklumpen, kommen die meisten von ihnen nicht mehr in Kontakt mit dem umgebenden Gas und der Katalysator-Effekt wird viel geringer. Daher untersucht Ulrike Diebolds Arbeitsgruppe, wie es bei Atomen auf einer Oberfläche zu diesem Verklumpen kommt und wie man es verhindern kann.
Theorien dazu gab es schon bisher – doch an der TU Wien gelang es nun erstmals, den Atomen tatsächlich beim Verklumpen zuzusehen. „Wir verwenden Palladium-Atome auf einer extrem sauberen Eisenoxid-Oberflächen in einem Ultrahochvakuum, wo wir dann die Atome mit einem Rastertunnelmikroskop einige Stunden lang immer wieder abbilden“, erklärt Gareth Parkinson (TU Wien). Aus diesen Bildern entsteht schließlich ein Film, in dem man den Weg der einzelnen Atome nachverfolgen kann.
Der Sky-Hook-Effekt
Auf diese Weise konnte das Forschungsteam klären, wer die Tanzpartner sind, die einzelne, still herumsitzende Palladium-Atome von ihrem Platz lösen: Es sind Kohlenmonoxid-Moleküle, die sich mit einem einzelnen Palladium-Atom verbinden. Sobald das geschieht, ist das Palladium kaum noch an den Untergrund gebunden, so als wäre es vom Kohlenmonoxid ein Stück nach oben gehoben worden. „Das nennt man den Sky-Hook-Effekt“, sagt Zbynek Novotny (TU Wien).
Kohlenmonoxid und Palladium tanzen gemeinsam blitzschnell über den Boden, bis sie mit einem anderen Palladium-Atom kollidieren. Dann bleiben die Palladium-Atome aneinander haften, nach und nach können so Cluster aus vielen Atomen wachsen.
Hydroxidgruppen gegen Verklumpung?
Nachdem es jetzt möglich ist, die Mechanismen der Katalysator-Verklumpung in Echtzeit unter dem Mikroskop zu beobachten, lassen sich diese Effekte nun ganz systematisch untersuchen: „Wir konnten feststellen, dass OH-Gruppen auf der Oberfläche den Effekt unterdrücken“, sagt Gareth Parkinson. Trifft das Palladium mit der Kohlenmonoxid-Gruppe auf seinem Tanz nicht auf ein anderes Palladium-Atom, sondern auf eine OH-Gruppe, dann bleibt es an dieser Stelle kleben und kann auch nicht mehr abgelöst werden. Möglicherweise könnte eine Beschichtung mit OH-Gruppen also eine Verbesserung von Katalysatoren möglich machen.
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