Unerwünscht: Atomverklumpung
Katalysatoren im Auto verwandeln Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickoxide in die ungiftigen Substanzen Kohlendioxid, Wasser und Stickstoff. Um die chemischen Reaktionen zu beschleunigen, werden oft Metalle wie Gold oder Palladium eingesetzt. Besonders effektiv funktioniert das, sofern die Metallatome möglichst fein verteilt auf dem Untergrund sitzen.
Wenn sie sich verklumpen, kommen die meisten von ihnen nicht mehr in Kontakt mit dem umgebenden Gas und der Katalysatoreffekt wird viel geringer. "Die Verklumpung ist eines der großen Probleme der Katalyse und entscheidet darüber, wie lange der Kat funktioniert", erklärt Ulrike Diebold vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien.
Die Studie
"Carbon monoxide-induced adatom sintering in a Pd–Fe3O4 model catalyst", Nature Materials (9.6.2013; doi:10.1038/nmat3667).
Die TU-Wissenschaftler verfügen mit einer extrem sauberen Eisenoxid-Oberfläche über ein Modellsystem, bei dem Palladium-Atome regelmäßig auf der Oberfläche angeordnet sind. "Das ist eine ganz wohldefinierte Ausgangssituation, wo wir sagen können, was mit jedem einzelnen Atom passiert", so Diebold. Mit Hilfe eines Rastertunnelmikroskops können die Forscher über Stunden den Weg einzelner Atome beobachten.
Kollidierende Palladiumatome
Diebold und ihr Team konnten so beweisen, dass Kohlenmonoxid (CO) für den Verklumpungseffekt verantwortlich ist. Sie beobachteten, wie sich ein CO-Molekül mit einem einzelnen Palladiumatom verbindet und regelrecht ein Stück angehoben wird. Sobald das geschieht, ist das Palladium kaum noch an den Untergrund gebunden und das ungleiche Paar flitzt über die Oberfläche, bis es mit einem anderen Palladiumatom kollidiert. Dann bleiben die Palladiumatome aneinander haften, nach und nach können so Klumpen aus vielen Atomen wachsen.
Bei der systematischen Untersuchung des Effekts konnten die Wissenschaftler feststellen, dass Hydroxygruppen (OH), also Moleküle aus Sauerstoff und Wasserstoff, auf der Eisenoxid-Oberfläche den Effekt unterdrücken.
Denn sobald das Palladium-Kohlenmonoxid-Paar auf eine OH-Gruppe trifft, bleibt es an dieser Stelle kleben und kann auch nicht mehr abgelöst werden. Warum das so ist, ist den Wissenschaftlern noch nicht klar, jedenfalls könnte aber eine Beschichtung mit OH-Gruppen Katalysatoren verbessern.
science.ORF.at/APA
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