Mit Ecken und Kanten: Eck- und Kantenatome sind reaktiver als zentrale Atome

Sie spielen eine bedeutende Rolle in der Chemie-Industrie: Katalytische Prozesse. Auch in jeder Auspuffanlage eines Verbrennungsmotors laufen wichtige katalytisch aktivierte Reaktionen ab, um die Abgase zu reinigen.

Der Katalysator sorgt dort beispielsweise dafür, dass stark umweltschädliche Stickoxide, Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoffe in weniger umweltschädlichen Stickstoff, Kohlendioxid und Wasser umgewandelt werden. Auch in der organischen Synthese sind Katalysatoren wie beispielsweise Eisen von großer Wichtigkeit.

Jeder Katalysator weist gewisse Bereiche auf, an welchen mehr chemische Reaktionen ablaufen können als an anderen. Die Bereiche erhöhter chemischer Reaktivität konnten bisher auf atomarer Ebene nur indirekt gemessen werden – indem der Zustand vor und nach der chemischen Reaktion aufgezeichnet wurde.

Die experimentellen Physiker Julian Berwanger und Prof. Dr. Franz J. Giessibl von der Universität Regensburg konnten nun, unterstützt durch ein Team von theoretischen Quantenchemikern (Svitlana Polyesa, Dr. Sergiy Mankovsky, Prof. Dr. Hubert Ebert) der Ludwig-Maximilians-Universität München, erstmals die chemische Reaktivität von kleinen Eisenclustern auf atomarer Skala direkt messen. Die Ergebnisse wurden nun in dem Journal Physical Review Letters veröffentlicht.

Die Wissenschaftler befestigten ein Kohlenstoffmonoxid-Molekül an der Spitze ihres Rasterkraftmikroskops. Dieses näherten sie an die verschiedenen Eisenatome eines durch atomare Manipulation auf einer Kupferoberfläche gezielt aufgebauten Eisenclusters an.

Die präzise Aufzeichnung der Kraftentwicklung bei der Annäherung zeigte, dass die Wechselwirkung des Kohlenstoffmonoxid-Moleküls mit den Eck- und Kantenatomen stärker ist, als mit den zentralen Eisenatomen des Clusters.

Da die Eck- und Kantenatome der Eisencluster im Vergleich nur wenige direkte Nachbaratome besitzen, sind diese chemisch reaktiver als die zentralen Atome der Cluster, welche von mehreren direkten Nachbaratomen umgeben sind. Dieses Ergebnis kann für die zukünftige Verbesserung von Katalysatoren von großer Bedeutung sein.

Prof. Dr. Franz Gießibl
Lehrstuhl für Quanten-Nanowissenschaft
Fakultät für Physik
Universität Regensburg
Telefon: 0941 943-2105
E-Mail: franz.giessibl@ur.de

Julian Berwanger
Lehrstuhl Gießibl
Fakultät für Physik
Universität Regensburg
Telefon: 0941 943-2111
E-Mail: julian.berwanger@ur.de

Julian Berwanger, Svitlana Polesya, Sergiy Mankovsky, Hubert Ebert, and Franz J. Giessibl, ”Atomically Resolved Chemical Reactivity of Small Fe Clusters”, Physical Review Letters (2020).
DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.096001
https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.124.096001