Warum Platin-Nanopartikel im Laufe der Zeit an Effizienz verlieren Röntgenblick in den Auto-Katalysator - scinexx | Das Wissensmagazin
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Warum Platin-Nanopartikel im Laufe der Zeit an Effizienz verlieren

Röntgenblick in den Auto-Katalysator

Form der Platin-Nanopartikel zu Beginn des Experiments (links) und nach dem Zusammenwachsen während der Reaktion von Sauerstoff und Kohlenmonoxid zu Kohlenstoffdioxid. Durch die Aufnahme von 2D-Streubildern lässt sich diese Partikelformänderung live verfolgen. © U. Hejral/ DESY

Nanoblick in den „Kat“: Forscher haben erstmals live beobachtet, warum ein Katalysator im Laufe der Zeit an Effizienz verliert. Wie sich zeigte, lagern sich die Platinpartikel zu kleinen Türmchen um. Dadurch jedoch nimmt die reaktive Oberfläche ab. Bei Rhodiumpartikeln und Mischung beider Metalle passiert dies jedoch nicht. Diese Erkenntnis könnte daher dazu beitragen, Katalysatoren weiter zu optimieren.

Der Katalysator sorgt im Auto dafür, dass die Abgase weniger giftige und umweltschädliche Bestandteile enthalten – jedenfalls wenn sie nicht manipuliert sind. Eine Mischung aus Platin, Rhodium und Palladium wandelt dabei giftiges Kohlenmonoxid und schädliche Stickoxide zu weniger gefährlichen Verbindungen um. Im Laufe der Betriebsdauer allerdings sinkt die Effizienz der Auto-Katalysatoren ab.

Katalyse im Röntgenlabor

Uta Hejral vom Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) und ihre Kollegen haben nun erstmals live beobachtet, warum dies geschieht und was dabei auf der Nano-Ebene abläuft. Dafür züchteten sie zunächst Nanopartikel mit jeweils verschiedene Platin- und Rhodium-Anteilen auf einem Substrat. Diese nur wenige Nanometer großen Teilchen setzten sie in einer Reaktionskammer bei 280 Grad als Katalysator bei der Umwandlung von Kohlenmonoxid mit Sauerstoff zu Kohlendioxid ein.

In dieser Probenkammer des DESY-NanoLabs können Katalysatoren live bei ihrer Arbeit untersucht werden. Der Röntgenstrahl und das gestreute Licht durchdringen dabei eine sehr dünne Berylliumkuppel auf der Oberseite der Kammer. © DESY/ R. Shayduk

Der Clou dabei: Weil die Forscher ihre Messungen an der Europäischen Synchrotron-Strahlungsquelle ESRF in Grenoble durchführten, konnten sie per Röntgenstrahl beobachten, was bei dieser Katalyse-Reaktion passiert. Mit einem feinen Röntgenstrahl und einem Massenspektrometer verfolgten die Wissenschaftler live, wie sich die Nanopartikel im Laufe der Zeit veränderten.

Platin-„Haufen“ werden immer höher

Das Ergebnis: Im Laufe der Reaktion veränderten die Nanopartikel allmählich ihre Form. „Reine Platin-Nanopartikel wuchsen deutlich in die Höhe. Ihre Größe verdoppelte sich von zwei auf etwa vier Nanometer“, berichtet Hejral. „Das war wirklich überraschend.“ Reine Rhodiumpartikel und Teilchen mit gleichen Teilen Platin und Rhodium blieben dagegen stabil und veränderten ihre Höhe kaum.

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Der Grund für diese Veränderung der Platinteilchen ist ihr Bestreben, eine für sie energetisch günstigere, runde Form anzunehmen, wie die Forscher erklären. „Die Untersuchung zeigt, dass die Platin-Nanopartikel freiwerdende Energie aus der chemischen Reaktion aufnehmen, um sich zusammenzulagern“, erläutert Hejral. Der Höhenzuwachs wird damit erkauft, dass Partikel von der Substratfläche auf die „Platinberge“ wandern.

Während Form und Größe der Rhodiumpartikel (unten) zu Beginn (grün) und nach dem Katalyseprozess (rot) gleich blieb, wuchsen die Platin-Partikel zusammen. © U. Hejral/ DESY

Weniger Oberfläche – weniger Effizienz

Diese Veränderung erscheint auf den ersten Blick gering, sie kann aber die Effizienz eines Katalysators deutlich beeinträchtigen. Denn die Wirksamkeit eines Katalysatormaterials steigt mit dessen Oberfläche an. Doch wenn sich die Platinpartikel zusammenballen, sind die Bedeckung des Trägermaterials und damit auch die für Reaktionen zur Verfügung stehende Oberfläche, von 50 auf 35 Prozent, wie Analysen ergaben.

Das Wissen um diesen Prozess und das unterschiedliche Verhalten der verschiedenen Platin-Rhodium-Mischungen könnte dazu beitragen, die Lebensdauer und Effizienz von Auto-Katalysatoren weiter zu verbessern. „Mit unserem Verfahren können wir die optimalen Mischungsverhältnisse und Partikelgrößen experimentell bestimmen“, erklärt Untersuchungsleiter Andreas Stierle vom DESY. So könnte beispielsweise eine von vornherein eine kugelähnlichere Form der Platinpartikel den Umlagerungen entgegenwirken.

Nano-Einblicke wie dieser könnten aber auch helfen, andere Katalysatoren zu verbessern. „Das lässt sich für Katalysatoren mit verschiedensten Anwendungen nutzen und kann der chemischen Industrie neue Möglichkeiten eröffnen“, so Stierle.

(Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, 10.03.2016 – NPO)

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