Damit ein Katalysator seine Wirkung optimal entfalten kann, braucht er möglichst viel Oberfläche. Dort kann eine durchströmende Verbindung wie zum Beispiel Wasser in ihre Einzelteile zerlegt wird. Die Kunst für Wissenschafter besteht also darin, Materialien herzustellen, die durch eine Vielzahl mikroskopischer Löcher sehr viel Oberfläche auf kleinstem Raum bieten. Chemiker der Technischen Universität (TU) Wien stellen nun einen neuen Zugang dazu vor.

Mit der kürzlich im Fachjournal "Nature Communications" vorgestellten Methode, die schwammartige Strukturen mit Nanometer-kleinen Löchern entstehen lässt, konnten die Wissenschafter die Reaktionsfreude des Katalysators rekordverdächtig erhöhen, wie die TU Wien am Dienstag in einer Aussendung mitteilte. Diese können ihre Wirkung als Antreiber von Reaktionen nämlich nur im direkten Kontakt mit einer Grundsubstanz entfalten. Dementsprechend gilt es, die Oberfläche zu erhöhen, was Forscher auf extrem poröse Materialien schielen lässt.

7.000 Quadratmeter Oberfläche pro Gramm

Die TU-Wien-Wissenschafter um die Erstautorin der Arbeit, Shaghayegh Naghdi, und internationale Kollegen nahmen sogenannte metallorganische Gerüstverbindungen mit bereits vielen sehr kleinen Löchern als Ausgangspunkt. Diese Strukturen sind derart durchlöchert, dass sie um die 7.000 Quadratmeter Oberfläche pro Gramm aufweisen können, was sie zu den Verbindungen mit der größten bekannten Oberfläche macht. Daher sind sie auch Hoffnungsträger, wenn es darum geht, Gase zu trennen und aufzubewahren, Wasser zu reinigen oder Medikamente im Körper zu transportieren.

Darüber hinaus stehen sie im Fokus, wenn es um das Aufspalten von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff unter Lichteinfluss geht. "Das große Problem war bisher, dass die Poren dieser Materialien einfach zu klein sind, um eine effiziente Katalyse zu ermöglichen", so der Leiter der Forschungsgruppe für molekulare Materialchemie der TU Wien, Dominik Eder. Mit einem neuen zweistufigen Verfahren konnten die Wissenschafter nun zusätzliche Poren einbauen, die aber mit immerhin zehn Nanometern Durchmesser deutlich größer sind. Zu den winzigen Löchern kommen dann rissartige Verbindungen, durch die Moleküle, die es beispielsweise aufzuspalten gilt, schneller durchrutschen können.

Sechsmal effektiver

Das hatte den Effekt, dass die Wasser-Aufspaltung unter Lichteinfluss in der neuen Schwammstruktur sechsfach besser ablief als bei herkömmlichen metallorganischen Gerüstverbindungen. Damit gehöre das neue Material zu den effektivsten Photokatalysatoren für Wasserstoffproduktion, heißt es. "Wir erwarten, dadurch selektivere Katalysatoren für komplexere Prozesse herstellen zu können", so Eder. Die Forscher versuchen nun, mit den neuen Materialien etwa auch CO2 in synthetische Treibstoffe umzuwandeln. (red, APA, 16.2.2022)