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Was einen guten Katalysator ausmacht

24.05.2018

DFG-Forschungsgruppe zu nanoporösem Gold verlängert – Oldenburger Chemiker beteiligt

Unter dem Mikroskop sieht es so ähnlich aus wie ein Küchenschwamm: nanoporöses Gold, ein vielversprechendes Katalysator-Material. Welche Prozesse sich an der Oberfläche des löchrigen Edelmetalls abspielen und wie sich dessen Eigenschaften gezielt einstellen lassen, ist das Thema einer Forschungsgruppe, an der Wissenschaftler aus Oldenburg beteiligt sind.


Nanoporöses Gold unter dem Elektronenmikroskop: Der Katalysator bildet ein weit verzweigtes Gerüst.

Foto: Mareike Hänsch/Universität Oldenburg

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert das seit 2014 bestehende Projekt mit dem Titel „Nanoporöses Gold als Prototyp für ein rationales Katalysatordesign“ (NaGoKat) für weitere drei Jahre. Unter der Federführung von Prof. Dr. Markus Bäumer von der Universität Bremen schaffen Chemiker, Physiker und Materialwissenschaftler der Universitäten Oldenburg, Bremen, der TU Hamburg-Harburg und der FU Berlin die Grundlagen dafür, Katalysatoren in Zukunft systematisch optimieren zu können.

Drei der zehn Teilprojekte sind in Oldenburg angesiedelt: Prof. Dr. Gunther Wittstock, Prof. Dr. Thorsten Klüner und Prof. Dr. Mehtap Özaslan vom Institut für Chemie untersuchen zusammen mit ihren Teams Transportprozesse und katalytische Reaktionen des Nanomaterials. Wittstock ist außerdem stellvertretender Sprecher der Forschungsgruppe.

„Nanoporöses Gold besteht aus zehn bis 50 Milliardstel Meter großen Stegen, die eine verzweigte, ausgefranste Struktur bilden“, erläutert Wittstock. Seit einigen Jahren gilt es als interessantes Katalysatormaterial, weil auf der großen Oberfläche Sauerstoffatome aktiviert werden, die anschließend mit anderen Verbindungen reagieren können.

Die Forscher hoffen, so zum Beispiel die Oxidation von organischen Substanzen wie Methanol bei niedrigen Temperaturen gezielt steuern zu können. „Wenn man Methanol nur teilweise oxidiert, lassen sich daraus wichtige Grundbausteine für die chemische Industrie herstellen, etwa Ameisensäuremethylester“, erläutert Wittstock.

Schwierige Suche nach dem passenden Katalysator

Für ihn und seine Kolleginnen und Kollegen steht allerdings nicht die Anwendung, sondern das grundlegende Verständnis von Katalysatoren im Vordergrund. Bislang probieren Chemiker auf der Suche nach einem geeigneten Katalysator für eine bestimmte Reaktion meist lange herum, bis sie das optimale Rezept finden. „Dieses empirische Vorgehen ist natürlich unbefriedigend“, sagt Wittstock.

„Wir möchten gerne verstehen, was einen guten Katalysator ausmacht, und die Eigenschaften gezielt einstellen.“ Für ihn ist nanoporöses Gold dafür das ideale Material. „Es ist gerade so komplex, dass wir die Chance haben, es systematisch zu erforschen“, sagt er.

In der ersten Phase der Förderung haben die Experten zum Beispiel herausgefunden, dass die Struktur des Materials komplizierter ist als gedacht. Als Ausgangsmaterial benutzen sie Gold-Silber-Legierungen in Tablettenform. „Da Silber das unedlere Metall ist, lösen wir es mit Hilfe von Salpetersäure oder elektrischer Spannung aus dem Festkörper heraus“, berichtet Wittstock. Die goldglänzende Tablette nimmt daraufhin eine bräunliche Farbe an. Unter dem Elektronenmikroskop wird der poröse Charakter sichtbar.

Wie sich inzwischen gezeigt hat, werden jedoch nicht alle Silber-Atome vollständig aus dem Gitter herausgelöst. „Es bilden sich abgekapselte Bereiche, in denen die ursprüngliche Legierung erhalten bleibt“, berichtet Wittstock. Silber-Atome, die sich nahe der Oberfläche befinden, sind offenbar wichtig für die Katalyse – so eine Erkenntnis der bisherigen Untersuchungen. „Es ist eine Stärke unserer Gruppe, dass wir das Material nicht nur herstellen und seine katalytischen Eigenschaften erproben, sondern auch systematisch untersuchen können, wie sich Veränderungen auswirken“, betont der Chemiker.

Was passiert auf der Oberfläche?

In der zweiten Projektphase geht es nun darum, die Oberflächenchemie noch besser zu verstehen. Die Gruppe von Gunther Wittstock beschäftigt sich unter anderem mit Umlagerungsprozessen, die innerhalb der winzigen Stege aus Gold schon bei Raumtemperatur in Gang kommen. Wittstock will herausfinden, wie sich dieser unerwünschte Prozess stoppen lässt, zum Beispiel durch Zusatzstoffe, die sich auf der Goldoberfläche ablagern.

Sein Kollege Thorsten Klüner will chemische Prozesse aufklären, die sich bei der Oxidation von Methanol und Propylen auf der Oberfläche des nanoporösen Goldes abspielen. In der Gruppe von Mehtap Özaslan geht es um katalytisch aktive Nanopartikel mit besonderen Eigenschaften. Sie bestehen aus mehreren Metallen, aus denen die unedleren Komponenten teilweise herausgelöst werden. Das Ziel der Forscherin besteht darin, die Größe dieser Nanoteilchen, ihre Porosität sowie den Anteil an unedleren Metallen bei der Herstellung kontrollieren zu können. Die DFG fördert die drei Oldenburger Vorhaben mit insgesamt 632.000 Euro.

Kontakt: Prof. Dr. Gunther Wittstock , Tel.: 0441/798-3971, E-Mail: gunther.wittstock@uol.de

Weitere Informationen:

https://www.uni-oldenburg.de/chemie
http://www.nagocat.uni-bremen.de/typo3_src-6.2.14/index.php?id=2

Dr. Corinna Dahm-Brey | idw - Informationsdienst Wissenschaft

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