Abgas-Katalysatoren von Autos bestehen aus winzigen Platin-Partikeln, die auf einem porösen keramischen Träger aufgebracht sind. Bei hohen Temperaturen können diese Partikel sintern, das heißt mit dem Trägermaterial Zeolith zusammenschmelzen und chemische Reaktionen eingehen. Japanische Wissenschaftler um Hitoshi Kato haben jetzt Platin-Partikel auf einer Zeolith-Oberfläche genauer unter die Lupe genommen – besser gesagt unter das Elektronenmikroskop – und dabei Erstaunliches entdeckt: Partikel, die Gänge „buddeln“.
Zeolithe sind kristalline, hochporöse Silikate. Auf Grund ihrer hohen Oberfläche und ihrer käfigartigen Poren, in die „Gastmoleküle“ aufgenommen werden können, sind sie als Ionenaustauscher, Molekularsiebe und Katalysatoren im Einsatz. Einen solchen Zeolithen wählten die Forscher als Träger für ihre Platin-Partikel und setzten ihn bei 800 oC einer Atmosphäre aus, die einem durchschnittlichen Autoabgas entsprach.
Rätsel der verschwundenen Partikel
Nach hundert Stunden sahen sie sich die kleinen platinhaltigen Zeolithkriställchen unter dem Elektronenmikroskop an.Und oh Wunder: Auf der Zeolith-Oberfläche waren keine Platin-Partikel mehr zu erkennen. Wo konnten sie sein? Der überraschende Befund: Die winzigen Edelmetall-Kügelchen hatten sich regelrecht in die Oberfläche des Zeolithen hinein gegraben. Dabei hinterließen sie kleine Kanäle, die ungefähr dem jeweiligen Durchmesser des Partikels entsprachen und innerhalb der Zeolith-Kriställchen eine Vorzugsrichtung aufwiesen.
Die Kanäle haben einen sechseckigen Querschnitt, was im Einklang mit der Gitterstruktur des Zeolithen steht, und die Kanalwände werden aus Facetten des Kristalls gebildet. Abgesehen von je einem Platinkügelchen am Ende der Gänge sind diese ansonsten leer und die umliegende Kristallstruktur wird in keiner Wiese gestört. Offenbar sind einfach einige Atome aus dem Kristallgitter entschwunden.
Anwendung für maßgeschneiderte Materialien
An den Berührungsstellen zwischen Platinteilchen und Zeolith katalysiert das Platin vermutlich eine chemische Reaktion zwischen den Silicium- und Sauerstoffatomen des Zeolithen und Bestandteilen der Abgas-Atmosphäre. Dabei können Bestandteile des Zeolithen in Form von SiO und Si(OH)4 aus dem Kristall austreten. Die Platinteilchen „sinken“ immer tiefer in die so entstehenden Löcher ein.
„Das beobachtete Phänomen könnte genutzt werden, um maßgeschneiderte poröse Materialien herzustellen,“ hofft Kato. „Die Porenanzahl, -form und -größe ließen sich über die Anzahl und den Durchmesser der Platinpartikel, die Dauer des Erhitzens, den gewählten Zeolith-Typus und die Orientierung der Kriställchen einstellen.“
(idw, Gesellschaft Deutscher Chemiker, 01.03.2004 – NPO)
