Wien - Katalysatoren, wie sie etwa zur Abgasreinigung in Autos eingesetzt werden, können ihre Wirkung verlieren, wenn die katalytisch aktiven Atome auf der Oberfläche zu wandern beginnen und sich am Ende verklumpen. WissenschafterInnen der Technischen Universität (TU) Wien konnten nun erstmals die einzelnen Atome dabei filmen und die Mechanismen der Katalysator-Verklumpung in Echtzeit unter dem Mikroskop beobachten. Die Untersuchung wurde im Fachjournal "Nature Materials" veröffentlicht.

Verklumpung als großes Problem der Katalyse

In Katalysatoren werden oft Metalle wie Gold oder Palladium eingesetzt, um chemische Reaktionen zu beschleunigen. So werden etwa in einem Auto-Kat Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickoxide in die ungiftigen Kohlendioxid, Wasser und Stickstoff umgewandelt. Besonders effektiv funktioniert das, wenn die Metall-Atome möglichst fein verteilt auf dem Untergrund sitzen. Verklumpen sie sich, kommen die meisten Metall-Atome nicht mehr in Kontakt mit dem umgebenden Gas und der Katalysator-Effekt wird viel geringer. "Die Verklumpung ist eines der großen Probleme der Katalyse und entscheidet darüber, wie lange der Kat funktioniert", erklärte Ulrike Diebold vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien.

An der TU Wien gelang nun das Zusehen: Die ForscherInnen verfügen mit einer extrem sauberen Eisenoxid-Oberfläche über ein Modellsystem, bei dem Palladium-Atome regelmäßig auf der Oberfläche angeordnet sind. "Das ist eine wohldefinierte Ausgangssituation - wir können sagen, was mit jedem einzelnen Atom passiert", so Diebold. Mit Hilfe eines Rastertunnelmikroskops können die Forscher über Stunden den Weg einzelner Atome beobachten. Aus den Bildern entsteht ein Film, in dem man den Weg der einzelnen Atome nachverfolgen kann.

Kohlenmonoxid für Verklumpungseffekt verantwortlich

Diebold und ihr Team konnten so beweisen, dass Kohlenmonoxid (CO) für den Verklumpungseffekt verantwortlich ist. Sie beobachteten, wie sich ein CO-Molekül mit einem einzelnen Palladium-Atom verbindet und letzteres regelrecht angehoben wird. So ist das Palladium kaum noch an den Untergrund gebunden und das ungleiche Paar flitzt über die Oberfläche, bis es mit einem anderen Palladium-Atom kollidiert. Dann bleiben die Palladium-Atome aneinander haften und so können nach und nach Klumpen aus vielen Atomen wachsen.

"Das Elegante an den Experimenten ist, dass wir Atom für Atom sehen können, was passiert, und dadurch Einsichten in das System bekommen, die wir bisher nicht hatten", betonte die Forscherin. Bei der systematischen Untersuchung des Effekts konnte die Forschergruppe feststellen, dass Hydroxy-Gruppen (OH), also Moleküle aus Sauerstoff und Wasserstoff, den Verklumpungseffekt unterdrücken: Sobald das Palladium-Kohlenmonoxid-Paar auf eine OH-Gruppe trifft, bleibt es an dieser Stelle kleben und kann auch nicht mehr abgelöst werden. Die Schlussfolgerung: Möglicherweise kann eine Beschichtung mit OH-Gruppen Katalysatoren verbessern. (APA/red, derStandard.at, 14.6.2013)