Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Sub-Nanometer-Katalysatoren verhalten sich anders als prognostiziert: Extrapolieren verboten

28.01.2016

Zur Herstellung von Margarine werden jedes Jahr Millionen Tonnen ungesättigter Fettsäuren aus Pflanzenölen mit Wasserstoff umgesetzt. Auf der Suche nach besseren Katalysatoren für solche als Hydrierung bezeichneten Reaktionen machte ein deutsch-amerikanisches Forscherteam eine Entdeckung, die eine seit mehr als 50 Jahren geltende Regel in Frage stellt: Bei Katalysatorpartikeln aus nur wenigen Atomen beeinflussen Form und Größe die Reaktivität sehr viel stärker als bisher gedacht.

Millionen Tonnen Margarine werden jährlich durch die Umsetzung ungesättigter Fettsäuren aus Pflanzenölen mit Wasserstoff hergestellt. Während die Hydrierung von Pflanzenölen mit günstigen Nickel-Katalysatoren gelingt, benötigen viele andere Reaktionen das teure Platin.


Berechnete Struktur eines Pt10-Clusters auf einer Magnesiumoxid-Oberfläche.

Bild: U. Landman, B. Yoon / Georgia Tech


Andrew Crampton und Marian Rötzer an ihrer Vakuum-Anlage zur Herstellung ultrakleiner Katalysatorpartikel

Foto: Andreas Heddergott / TUM

Da die Hydrierungsreaktion nur an der Oberfläche abläuft und die inneren Atome keine Rolle spielen, entwickelt die Industrie immer kleinere Katalysatorpartikel. Die kleinsten von ihnen enthalten inzwischen kaum mehr als 100 Atome. Bei noch kleineren Partikeln übernehmen allerdings quantenphysikalische Effekte die Regie, und die bisherigen Modelle können die Eigenschaften der Platinpartikel nicht mehr vorhersagen.

Ein Team aus Forschern der Technischen Universität München (TUM) und des Georgia Institute of Technology in Atlanta (Georgia) hat diese Effekte nun mit Atom-genauer Präzision untersucht. Als Modell nahmen sie die von Platin katalysierte Reaktion von Ethen zu Ethan. Wie die ungesättigten Fettsäuren enthält Ethen eine Kohlenstoff-Doppelbindung. Nimmt diese zwei Wasserstoffatome auf, wird Ethen zum „gesättigten“ Ethan.

Ein Modell kommt ins Wanken

Seit mehr als 50 Jahren teilen Chemiker katalytische Reaktionen in solche ein, die von der Struktur und Größe des Katalysators beeinflusst werden und solche, auf die diese Faktoren keinen Einfluss haben. „Die Ethenhydrierung galt als typisches Beispiel einer größenunabhängigen Reaktion. Wir vermuteten jedoch, dass diese Unterscheidung für Katalysatorpartikel im Sub-nanometer-Bereich nicht mehr gilt“, sagt Ulrich Heiz, Inhaber des Lehrstuhls für Physikalische Chemie der TU München, Mitglied und Akademischer Direktor des Zentralinstituts für Katalyseforschung.

Die Arbeitsgruppe von Professor Ulrich Heiz produzierte dazu Platinpartikel, die jeweils nur eine kleine Anzahl von Atomen besitzen. „Mit unserer Anlage können wir gezielt Platincluster mit einem bis 80 Platinatomen produzieren“, sagt Andrew Crampton, Mitarbeiter der Arbeitsgruppe Heiz. An diesen ließen sie Ethen und Wasserstoff miteinander reagieren und analysierten die Ergebnisse.

Die Reaktivität hängt dabei sehr stark von der genauen Anzahl an Atomen ab. Cluster mit weniger als zehn Atomen waren kaum aktiv. Ab zehn Atomen wächst die Reaktivität bis zu einem Maximum bei Clustern aus 13 Atomen. Sie besitzen eine deutlich höhere Reaktivität als eine normale Platinoberfläche – ein klarer Beleg dafür, dass die in den letzten Jahrzehnten für diese Reaktion postulierte Größenunabhängigkeit nicht korrekt war.

Untermauert werden die experimentellen Beobachtungen durch die von den amerikanischen Kollegen entwickelten theoretischen Modelle. Sie erlauben nun eine präzise Aussage darüber, welches Atom warum für welche Aktivität verantwortlich ist. „So kleine Cluster verhalten sich nicht mehr wie Metallkörper sondern wie Moleküle: Small is different“, sagt Uzi Landman, Professor am Center for Computational Materials Science des Georgia Institute of Technology. „Die Eigenschaften hängen eindeutig von der Anzahl der Atome ab.“

Ein eingespieltes Ensemble

Wie beim bekannten Tangram-Spiel können sich die Atome der kleinen Cluster zu verschiedenen Formen zusammen finden, sogenannte Isomere. Außerdem spielen bei Clustern mit wenigen Atomen auch die Wechselwirkungen mit den Atomen des Trägermaterials eine wichtige Rolle.

Inzwischen haben die Münchener Chemiker verschiedene Verfahren entwickelt, wie sie die kleinen Platincluster auf Trägermaterialien fixieren können. „Wir verhindern damit, dass sich die kleinen Partikel zu größeren zusammenlagern“, erläutert Ulrich Heiz. „Die Oberfläche wiederum beeinflusst, welche Form die Cluster bevorzugt annehmen. Zusammen mit der Clustergröße haben wir damit ein Instrumentarium, die Eigenschaften für eine bestimmte Reaktion maßzuschneidern.“

Zusammen mit weiteren Mitgliedern des Zentralinstituts für Katalyseforschung wollen die Wissenschaftler in naher Zukunft nasschemische Verfahren entwickeln, mit denen effizient größere Mengen kleiner Platincluster mit einer genau definierten Anzahl von Atomen produziert werden können.

Die Arbeiten wurden unterstützt mit Mitteln des European Research Council (ERC), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), des US Air Force Office for Scientific Research (AFOSR) und des US Department of Energy (DOE).

Publikation:

Structure sensitivity in the nanoscalable regime: catalyzed ethylene hydrogenation on supported Pt nanoclusters; Andrew S. Crampton, Marian D. Rötzer, Claron J. Ridge, Florian F. Schweinberger, Ueli Heiz, Bokwon Yoon, Uzi Landman:
nature communications, 28. Jan 2015, DOI: 10.1038/ncomms10389

Kontakt:

Prof. Dr. Ulrich Heiz
Technische Universität München
Zentralinstitut für Katalyseforschung
Ernst-Otto-Fischer-Str. 1, 85748 Garching, Germany
Tel.: +49 89 289 13390 – E-Mail: ulrich.heiz@mytum.de

Weitere Informationen:

http://www.tum.de/die-tum/aktuelles/pressemitteilungen/kurz/article/32893/
http://www.pc.ch.tum.de
http://www.crc.tum.de

Dr. Ulrich Marsch | Technische Universität München

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Forscherteam der Universität Bremen untersucht Korallenbleiche
24.04.2017 | Universität Bremen

nachricht Feinste organische Partikel in der Atmosphäre sind häufiger glasartig als flüssige Öltröpfchen
21.04.2017 | Max-Planck-Institut für Chemie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Im Focus: Leichtbau serientauglich machen

Immer mehr Autobauer setzen auf Karosserieteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dennoch müssen Fertigungs- und Reparaturkosten weiter gesenkt werden, um CFK kostengünstig nutzbar zu machen. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) hat daher zusammen mit der Volkswagen AG und fünf weiteren Partnern im Projekt HolQueSt 3D Laserprozesse zum automatisierten Besäumen, Bohren und Reparieren von dreidimensionalen Bauteilen entwickelt.

Automatisiert ablaufende Bearbeitungsprozesse sind die Grundlage, um CFK-Bauteile endgültig in die Serienproduktion zu bringen. Ausgerichtet an einem...

Im Focus: Making lightweight construction suitable for series production

More and more automobile companies are focusing on body parts made of carbon fiber reinforced plastics (CFRP). However, manufacturing and repair costs must be further reduced in order to make CFRP more economical in use. Together with the Volkswagen AG and five other partners in the project HolQueSt 3D, the Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) has developed laser processes for the automatic trimming, drilling and repair of three-dimensional components.

Automated manufacturing processes are the basis for ultimately establishing the series production of CFRP components. In the project HolQueSt 3D, the LZH has...

Im Focus: Wonder material? Novel nanotube structure strengthens thin films for flexible electronics

Reflecting the structure of composites found in nature and the ancient world, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have synthesized thin carbon nanotube (CNT) textiles that exhibit both high electrical conductivity and a level of toughness that is about fifty times higher than copper films, currently used in electronics.

"The structural robustness of thin metal films has significant importance for the reliable operation of smart skin and flexible electronics including...

Im Focus: Immunzellen helfen bei elektrischer Reizleitung im Herzen

Erstmals elektrische Kopplung von Muskelzellen und Makrophagen im Herzen nachgewiesen / Erkenntnisse könnten neue Therapieansätze bei Herzinfarkt und Herzrhythmus-Störungen ermöglichen / Publikation am 20. April 2017 in Cell

Makrophagen, auch Fresszellen genannt, sind Teil des Immunsystems und spielen eine wesentliche Rolle in der Abwehr von Krankheitserregern und bei der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Forschungsexpedition „Meere und Ozeane“ mit dem Ausstellungsschiff MS Wissenschaft

24.04.2017 | Veranstaltungen

3. Bionik-Kongress Baden-Württemberg

24.04.2017 | Veranstaltungen

Smart-Data-Forschung auf dem Weg in die wirtschaftliche Praxis

21.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Projekt CeGlaFlex: Hauchdünne, bruchsichere und biegsame Keramik und Gläser

24.04.2017 | Verfahrenstechnologie

Innovationspreis 2017 der Deutschen Hochschulmedizin e.V.

24.04.2017 | Förderungen Preise

Konfetti im Gehirn: Steuerung wichtiger Immunzellen bei Hirnkrankheiten geklärt

24.04.2017 | Medizin Gesundheit