Suchen

Katalysator Optimierung von Katalysator-Materialien

Redakteur: Olaf Spörkel

Forscher haben erstmals die Formänderung von Rhodium-Nanopartikeln unter Reaktionsbedingungen nachgewiesen. Die Erkenntnisse könnten die Qualität der Katalysator-Materialien verbessern.

Firma zum Thema

Rhodium weist hohe katalytische Aktivität auf.
Rhodium weist hohe katalytische Aktivität auf.
( Bild: Max-Planck-Institut für Metallforschung )

Stuttgart, Grenoble/Frankreich – Andreas Stierle und seine Kollegen am Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart und vom Commissariat a l’Energie Atomique in Grenoble haben jetzt auf der Oberfläche von Rhodium-Nanopartikeln eine extrem dünne Oxidschicht nachgewiesen und gezeigt, wie sich die Form der Nanopartikel unter moderatem Sauerstoff- und Kohlenmonoxideinfluss reversibel verändert. Experimente mit Synchrotronstrahlung an der Angström-Strahlungsquelle (ANKA, KIT) in Karlsruhe und an der Europäischen Synchrotronstrahlungsquelle (ESRF) in Grenoble erlaubten es den Wissenschaftlern, die Formänderungen live zu verfolgen und sie abschließend durch elektronenmikroskopische Messungen am Höchstleistungs-Transmissionselektronenmikroskop am Stuttgarter MPI für Metallforschung zu untermauern. Die präzisen Erkenntnisse über die Struktur der Rhodium-Nanopartikel während katalytischer Reaktionen sind nützlich für die Entwicklung von verbesserten, heterogenen Katalysator-Materialien mit längerer Lebensdauer, höherer Aktivität und Selektivität.

Auf Nanopartikel basierende Katalysatoren

Katalysatoren, die auf metallischen Nanopartikeln basieren, sind unverzichtbar für viele Chemikalien- und Brennstoffsynthesen. Sie kommen z. B. im Dreiwegekatalysator bei der Abgasreinigung von Kraftfahrzeugen zum Einsatz. Entscheidend für die Funktion ist das Übergangsmetall Rhodium. Wie auch andere Übergangsmetalle, z.B. Palladium und Platin, weist das reaktionsträge Rhodium hohe katalytische Aktivität auf. Die Experimente mit Röntgen- und Synchrotronstrahlung zeigen, dass sich die Form der Rhodium-Nanopartikel reversibel von einer spitzeren Pyramide zu einer abgeflachten Pyramide ändert. Auf der Oberfläche der Rhodium-Nanopartikel bildet sich eine ultradünne Oxidschicht aus, die nur aus drei atomaren Lagen besteht. „Dies ist die dünnste Oxidschicht der Welt, die man sich vorstellen kann“, erklärt Andreas Stierle. „Mit unseren Methoden haben wir diese O-Rh-O-Schicht erstmals auf Rh-Nanopartikeln experimentell nachgewiesen und konnten zudem die Formänderung der Nanopartikel während der katalytischen Reaktion der CO-Oxidation verfolgen.“ Mit der Ausbildung der stabilen Oxidschicht verändert sich die Gitterstruktur des Rhodiums. Weil die O-Rh-O Schicht auf den (001) und (100) Facetten energetisch günstiger ist als auf der (111)-Facette, wird die Pyramide flacher (und die 001 / 100 - Facetten breiter - siehe Abb. 1). Dabei wandern die Rh-Atome von der oberen (001) Facette in die Oxidschicht hinein.

Bildergalerie

(ID:274270)