Superatome als Katalysatoren

"Superatom" aus 43 Kupfer und 12 Aluminium Atomen umgeben von Cyclopentatienyl-Liganden. J. Weßing / TUM

Edelmetalle wie Platin sind gute Katalysatoren, doch sie haben ihren Preis. Während die chemische Industrie deshalb versucht, immer kleinere Katalysatorpartikel herzustellen, verfolgt ein Team der Technischen Universität München (TUM) einen neuen Ansatz:

Es baut Katalysatorpartikel zielgerichtet aus einzelnen Atomen auf. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützt das innovative Vorhaben nun mit einer Reinhard Koselleck-Förderung in Höhe von 1,2 Millionen Euro.

Bei mehr als 60 Prozent aller Reaktionen in der Chemieindustrie ermöglichen erst Katalysatoren eine energie- und kosteneffiziente Umsetzung. Ohne die Edelmetalle der Platingruppe wären Abgaskatalysatoren für unsere Autos nicht denkbar. Auch Brennstoffzellen-Antriebe benötigen derzeit noch teure Platinkatalysatoren.

Da nur die Atome an der Oberfläche aktiv an Reaktionen teilnehmen können, versucht die Industrie, Platin durch andere Metalle zu ersetzen oder immer kleinere Katalysatorpartikel herzustellen. Ein Platinpartikel mit einem Nanometer Durchmesser besteht dabei aus nur noch 40 Atomen.

Einen neuen Weg beschreitet nun ein Reinhard Koselleck-Projekt von Prof. Roland Fischer: Ihm und seinem Team ist es gelungen, Partikel aufzubauen, die im Wesentlichen aus 43 Kupfer- und 12 Aluminiumatomen besteht. Das von der DFG mit 1,2 Millionen Euro geförderte Forschungsprojekt soll nun zeigen, wie man solche „Superatome“ genannten Teilchen systematisch herstellen kann.

„Lebende Bibliotheken“

„Unsere bisherige Forschung hat bereits gezeigt, dass der Weg zu solchen Superatomen über eine Vielzahl mehr oder weniger stabiler Zwischenprodukte führt“, sagt Roland Fischer, Professor für Anorganische und Metallorganische Chemie an der TU München.

„Im Rahmen unseres neuen Projekts wollen wir erforschen, wie wir die Reaktions-Netzwerke von Bildungs-, Wachstums- und Abbaureaktionen gezielt steuern können.“

Das Besondere am Ansatz der Garchinger Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ist, dass sie ganze „Bibliotheken“ von Superatomen erzeugen wollen. Mittels modernster Massenspektrometrie und in Kombination mit theoretischer Modellierung sollen diese dann parallel untersucht werden.

Die aufgrund der Analogie zu Weinreben „Cluster“ genannten Partikel können dabei sogar aus sehr verschiedenen Metallen aufgebaut sein, wie das Beispiel des 55-atomigen Kupfer/Aluminium-Clusters zeigt.

„Hier öffnen wir die Tür zu einem gezielten Aufbau von Katalysatoren, wie er bisher undenkbar war“, sagt Fischer. „Gemischt-metallische Katalysatoren mit Platin und anderen Metallen beispielsweise könnten für die Brennstoffzellen-Technologie einen wichtigen Fortschritt bringen: Jedes Platinatom würde dann genutzt.“

Lokale und globale Vernetzung

Angesiedelt wird das Reinhard Koselleck-Projekt im TUM Zentrum für Katalyseforschung, dessen Direktor Prof. Fischer ist. Auch befruchtet das Forschungsvorhaben die Grundlagenarbeiten im Exzellenzcluster e-conversion an der TUM.

Darüber hinaus ist das Projekt in die TUM Global Strategie eingebettet: Gefördert vom TUM Global Incentive Fund, kooperiert das Team mit der Theorie-Arbeitsgruppe von Prof. Juarez L. F. Da Silva an der Universität São Paulo.

Förderung besonders innovativer Projekte

Im Rahmen der Reinhart Koselleck-Projekte fördert die Deutschen Forschungsgemeinschaft besonders innovative oder risikobehaftete Projektideen von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, die sich bereits durch herausragende wissenschaftliche Leistung ausgewiesen haben.

“Neun Mal haben Spitzenwissenschaftler der TUM in diesem Programm bereits gepunktet. Das ist der Erfolg einer stringenten Berufungspolitik, sagt Thomas F. Hofmann, Präsident der TUM.

2012 erhielt Prof. Vasilis Ntziachristos eine Förderung für die Entwicklung eines thermoakustischen Bildgebungsverfahrens. 2013 überzeugte Prof. Cordt Zollfranks Idee, Mikroalgen neue Materialien herstellen zu lassen. 2013 erhielt Prof. Horst Kessler die begehrte Unterstützung für ein Projekt zur oralen Bioverfügbarkeit von Peptiden. 2014 förderte die DFG die Erforschung „selbstschmierender“ Materialien durch Prof. Bernd-Robert Höhn.

2015 erhielt der diesjährige Leibnizpreisträger Prof. Thorsten Bach eine Förderung für die Entwicklung photochemischer Katalysatoren zugesprochen. Ebenfalls 2015 vergab die DFG eine Förderung an Prof. Tobias Nipkow für die Entwicklung von Beweisassistenten für die verifizierte Algorithmenanalyse. 2018 waren Prof. Erwin Grill mit einem Projekt zur Untersuchung der pflanzlichen Stressantwort und Prof. Brandt zu kollektiven Entscheidungslotterien erfolgreich und 2019 Prof. Martin Bichler mit einem Förderantrag zum Entwurf von nicht-konvexen Märkten.

Prof. Dr. Roland A. Fischer
Technische Universität München
Lehrstuhl für Anorganische und Metallorganische Chemie
Direktor des Zentrums für Katalyseforschung (CRC)
Ernst-Otto-Fischer-Straße 1, 85748 Garching
Tel.: +49 89 289 13080 – E-Mail: roland.fischer@tum.de

http://www.amc.ch.tum.de Website des Lehrstuhls für Anorganische und Metallorganische Chemie
https://www.crc.tum.de/ Website des TUM Zentrums für Katalyseforschung
https://www.tum.de/nc/die-tum/aktuelles/pressemitteilungen/details/36024/ Pressemeldung auf der Website der TUM

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Dr. Ulrich Marsch Technische Universität München

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