Metalle wie Gold oder Platin werden oft als Katalysatoren eingesetzt. Sie sind effektiv, aber teuer. Verteilt man einzelne Atome auf einer Oberfläche, können aber auch viel kostengünstigere Materialien effektive Katalysatoren sein. Wiener Physiker entschlüsselten nun die atomaren Mechanismen hinter der Einzelatom-Katalyse und berichten darüber im Fachjournal "Science".

Katalysatoren können chemische Reaktionen ermöglichen oder beschleunigen. Um die Kosten zu verringern, versucht man, die Größe möglichst zu verringern – bis hin zu einzelnen Atomen auf einer Oberfläche, sogenannten Einzelatom-Katalysatoren.

Doch einzelne Atome lassen sich nicht mit den Modellen beschreiben, mit denen man bisher erklärt hat, warum etwa Gold oder Platin so gute Katalysatoren sind, sagte Gareth Parkinson vom Institut für Angewandte Physik der Technischen Universität (TU) Wien in einer Aussendung. Der Physiker hat mit seinem Team in den vergangenen Jahren untersucht, welche atomaren Mechanismen hinter der Einzelatom-Katalyse stecken.

Üblicherweise spielen für chemische Prozesse nur die äußeren Atome eines Metalls eine Rolle. Dabei werden bei größeren Einheiten die Elektronenzustände durch das Zusammenspiel vieler Atome festgelegt. Doch Einzelatome können sich keine Elektronen teilen. "Die Elektronenbänder, deren Energie man für den Schlüssel zur Erklärung der Katalyse gehalten hatte, gibt es in diesem Fall einfach nicht", so Parkinson.

Veränderte Reaktivität

Dennoch funktionieren gute Katalysator-Metalle auch in Form einzelner Atome. Parkinson: "Es sind nämlich in beiden Fällen dieselben Elektronen, die dafür verantwortlich sind – die sogenannten d-Elektronen."

Parkinson und seine Kollegen zeigten nun, dass es bei der Einzelatom-Katalyse völlig neue Möglichkeiten gibt: "Je nachdem, auf welchem Untergrund wir die Metallatome platzieren und welche atomaren Bindungen sie dabei eingehen, können wir die Reaktivität der Atome verändern."

In manchen Fällen braucht man dann keine besonders teuren Metalle wie Platin mehr. "Wir haben etwa große Erfolge mit einzelnen Nickel-Atomen erzielt. Wenn man die atomaren Mechanismen der Einzelatom-Katalyse versteht, hat man plötzlich viel mehr Spielraum, die chemischen Prozesse zu beeinflussen", so Parkinson, der acht unterschiedliche Metalle auf diese Weise genau analysiert hat. Entscheidend sei die lokale Umgebung der Atome – "wenn man sie richtig wählt, kann man bessere Katalysatoren entwickeln und gleichzeitig sogar noch Ressourcen und Kosten sparen". (APA, red, 1.2.2021)