Beispiellose Ansicht eines einzelnen Katalysator-Nanopartikels bei der Arbeit

Ein von DESY geleitetes Forschungsteam nutzte hochintensive Röntgenstrahlen, um ein einzelnes Katalysator-Nanopartikel bei der Arbeit zu beobachten. Das Experiment zeigte erstmals, wie sich die chemische Zusammensetzung der Oberfläche eines einzelnen Nanopartikels unter den Reaktionsbedingungen verändert und damit aktiver macht. Das Team um Andreas Stierle von DESY präsentiert seine Ergebnisse im Journal Wissenschaftler machen Fortschritte. Diese Studie markiert einen wichtigen Schritt zu einem besseren Verständnis echter industrieller katalytischer Materialien.

Katalysatoren sind Stoffe, die chemische Reaktionen fördern, ohne selbst verbraucht zu werden. Katalysatoren werden heute in vielen industriellen Prozessen eingesetzt, von der Herstellung von Düngemitteln bis hin zur Herstellung von Kunststoffen. Aus diesem Grund sind Katalysatoren von enormer wirtschaftlicher Bedeutung. Ein bekanntes Beispiel ist der in Autoabgasanlagen verbaute Katalysator. Diese enthalten Edelmetalle wie Platin, Rhodium und Palladium, die hochgiftiges Kohlenmonoxid (CO) in Kohlendioxid (CO .) umwandeln₂) und reduzieren die Menge an schädlichen Stickoxiden (NO_x).

„Trotz ihrer weiten Verbreitung und großen Bedeutung ignorieren wir immer noch viele wichtige Details zur Funktionsweise verschiedener Katalysatoren“, erklärt Stierle, Direktor des DESY NanoLab. „Deshalb wollten wir schon lange echte Katalysatoren im Betrieb studieren.“ Das ist nicht einfach, denn um die aktive Oberfläche möglichst groß zu machen, werden Katalysatoren meist in Form von winzigen Nanopartikeln eingesetzt und an ihrer Oberfläche treten Veränderungen auf, die ihre Aktivität beeinflussen.

Oberflächenverformung hängt mit der chemischen Zusammensetzung zusammen

Im Rahmen des Projekts European Nanoscience Foundries and Fine Analysis (NFFA) hat das DESY NanoLab-Team eine Technik entwickelt, um einzelne Nanopartikel zu markieren und so in einer Probe zu identifizieren. „Für die Studie haben wir im Labor Nanopartikel einer Platin-Rhodium-Legierung auf einem Substrat kultiviert und ein bestimmtes Partikel markiert“, erklärt Co-Autor Thomas Keller vom DESY NanoLab und Projektleiter bei DESY. „Der Durchmesser des markierten Partikels beträgt etwa 100 Nanometer und ähnelt den Partikeln, die in einem Autokatalysator verwendet werden.“ Ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter.

Mit Röntgenstrahlen der europäischen ESRF-Synchrotronanlage in Grenoble, Frankreich, konnte das Team nicht nur ein detailliertes Bild des Nanopartikels erstellen. es maß auch die mechanische Spannung innerhalb seiner Oberfläche. „Die Oberflächenverformung hängt mit der Zusammensetzung der Oberfläche zusammen, insbesondere dem Verhältnis von Platinatomen zu Rhodiumatomen“, erklärt Co-Autor Philipp Pleßow vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT), dessen Arbeitsgruppe die Verformung in Abhängigkeit von der Zusammensetzung von die Oberfläche. Durch den Vergleich der beobachteten und berechneten facettenabhängigen Dehnung können Rückschlüsse auf die chemische Zusammensetzung an der Partikeloberfläche gezogen werden. Die verschiedenen Oberflächen eines Nanopartikels werden Facetten genannt, genau wie die Facetten eines geschliffenen Edelsteins.

Wenn das Nanopartikel wächst, besteht seine Oberfläche hauptsächlich aus Platinatomen, da diese Konfiguration energetisch begünstigt wird. Wissenschaftler haben jedoch die Form des Partikels und seine Oberflächenverformung unter verschiedenen Bedingungen untersucht, einschließlich der Betriebsbedingungen eines Autokatalysators. Dazu erhitzten sie das Teilchen auf rund 430 Grad Celsius und ließen Kohlenmonoxid- und Sauerstoffmoleküle durch. „Unter diesen Reaktionsbedingungen wird das Rhodium im Inneren des Partikels mobil und wandert an die Oberfläche, weil es stärker mit Sauerstoff wechselwirkt als Platin“, erklärt Pleßow. Dies wird auch von der Theorie vorhergesagt.

„Infolgedessen ändern sich die Oberflächenverformung und die Form der Partikel“, berichtet Co-Autor Ivan Vartaniants von DESY, dessen Team Röntgenbeugungsdaten in dreidimensionale räumliche Bilder umwandelte. „Es findet eine facettenabhängige Rhodiumanreicherung statt, wodurch zusätzliche Ecken und Kanten gebildet werden.“ Die chemische Zusammensetzung der Oberfläche sowie Form und Größe der Partikel haben einen wesentlichen Einfluss auf deren Funktion und Effizienz. Allerdings beginnen Wissenschaftler gerade erst zu verstehen, wie diese genau zusammenhängen und wie man die Struktur und Zusammensetzung von Nanopartikeln steuern kann. Mit Röntgenstrahlen können Forscher nur 0,1 von tausend Dehnungsänderungen nachweisen, was in diesem Experiment einer Genauigkeit von etwa 0,0003 Nanometern (0,3 Pikometer) entspricht.

Entscheidender Schritt zur Analyse industrieller katalytischer Materialien

„Wir können jetzt erstmals die Strukturveränderungen dieser Katalysator-Nanopartikel im Detail während ihres Betriebs beobachten“, sagt Stierle, Senior Scientist bei DESY und Professor für Nanowissenschaften an der Universität Hamburg. „Dies ist ein großer Schritt nach vorne und hilft uns, eine ganze Klasse von Reaktionen zu verstehen, die Legierungs-Nanopartikel verwenden.“ Dies wollen Wissenschaftler von KIT und DESY nun im neuen Sonderforschungsbereich 1441, gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unter dem Titel „Tracking the Active Sites in Heterogeneous Catalysis for Emission Control (TrackAct)“, systematisch erforschen.

„Unsere Untersuchung ist ein wichtiger Schritt zur Analyse industrieller Katalysatormaterialien“, betont Stierle. Bisher mussten Wissenschaftler für solche Untersuchungen Modellsysteme im Labor entwickeln. „In dieser Studie sind wir an die Grenzen des Machbaren gegangen. Mit dem Röntgenmikroskop PETRA IV von DESY werden wir einzelne Partikel zehnmal kleiner in realen Katalysatoren und unter Reaktionsbedingungen beobachten können.“ DESY ist eines der weltweit führenden Zentren für Teilchenbeschleuniger und erforscht die Struktur und Funktion der Materie, von der Wechselwirkung winziger Elementarteilchen bis hin zum Verhalten neuer Nanomaterialien und Biomoleküle, die für die großen Mysterien des Universums entscheidend sind. Die Beschleuniger und Teilchendetektoren, die DESY an den Standorten Hamburg und Zeuthen entwickelt und baut, sind einzigartige Forschungswerkzeuge. Sie erzeugen die stärksten Röntgenstrahlen der Welt, beschleunigen Teilchen, um Energien zu registrieren und öffnen neue Fenster zum Universum. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, Deutschlands größter wissenschaftlicher Vereinigung, und wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) (90 %) sowie den Ländern Hamburg und Brandenburg (10 %) gefördert.