q&more
Meine Merkliste
my.chemie.de  
Login  

News

Warum verhalten sich Metalloxid-Oberflächen chemisch unterschiedlich?

Neue Untersuchungsmethode beantwortet wichtige Fragen

Technische Universität Wien

Landkarte der Rhodiumoxidation, erstellt mit Hilfe eines Rasterphotoelektronenmikroskops (engl. SPEM, links); in situ Photoemissionselektronenmikroskop- (engl. PEEM, Mitte) Aufnahme der katalytischen H2 Oxidation an Rh; Landkarte der lokalen katalytischen Aktivität. Sichtfeld 500 µm. Kugelmodelle: Terrassen- (hellblau) und Stufen- (blau) Rh-Atome, oxidierte Rh-Atome (hellrot), O-Atome (rot).

15.01.2021: Metalloberflächen spielen als Katalysatoren für viele wichtige Anwendungen eine Rolle – von der Brennstoffzelle bis hin zur Reinigung von Auto-Abgasen. Ihr Verhalten wird allerdings ganz entscheidend von Sauerstoffatomen bestimmt, die sich an der Oberfläche festsetzen. 

Das Phänomen kennt man schon lange, aber bisher war es nicht möglich, den Einfluss des Sauerstoffs in komplexen Oberflächen Punkt für Punkt genau zu untersuchen, um die chemischen Hintergründe auf atomarer Ebene zu verstehen. An der TU Wien gelang das nun, in Kooperation mit einem Team des Elettra Synchrotrons in Triest. Dadurch konnte man nun erklären, warum man in vergangenen Studien teilweise widersprüchliche Ergebnisse erhalten hatte: Die Sauerstoffatome verteilen sich nicht gleichmäßig, sondern setzen sich an ganz bestimmten Stellen besonders leicht fest.

Präzisionsmessungen statt Durchschnittswerte

„Eine Metalloberfläche direkt während der Katalyse zu untersuchen, ist eine große Herausforderung“, sagt Prof. Günther Rupprechter vom Institut für Materialchemie der TU Wien, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster. „Man kann natürlich den ganzen Katalysator in einen Reaktor geben und genau messen, welche chemischen Produkte dabei entstehen – doch dabei bekommt man immer nur einen Mittelwert. Man kann nicht wissen, welche Stellen am Katalysator auf welche Weise zur chemischen Reaktion beigetragen haben.“

Eine andere Möglichkeit ist, keinen realen Katalysator zu verwenden, sondern ein einfaches, höchst sauberes, idealisiertes Stück davon – etwa einen winzigen Einkristall, mit exakt bekannten Eigenschaften, den man dann unter dem Mikroskop studieren kann. In diesem Fall erhält man zwar präzise, reproduzierbare Ergebnisse, sie haben mit der praktischen Anwendung aber nicht mehr viel zu tun.

Die Forschungsgruppe um Günther Rupprechter und Yuri Suchorski wollte daher das Beste aus beiden Ansätzen verbinden. Man verwendet dünne Folien aus Rhodium, die aus kleinen Körnchen bestehen. Auf jedem Körnchen können die Oberflächenatome unterschiedlich angeordnet sein. Im einen Körnchen bilden sie eine glatte, regelmäßige Oberfläche, bei der sich die äußeren Atome alle exakt in derselben Ebene befinden, daneben ordnen sich die Atome vielleicht so, dass eine kompliziertere Anordnung entsteht, die aus vielen atomaren Stufen besteht.

Die Lieblingsplätze des Sauerstoffs

Genau diese Stufen stellen sich als entscheidend heraus. „Für die katalytische Aktivität spielt der Oxidationszustand des Katalysators eine zentrale Rolle – also ob sich Sauerstoff an den Metallatomen festsetzt oder nicht“, erklärt Philipp Winkler, der Erstautor der Studie. Bei früheren Experimenten stellte man fest, dass man es oft mit einem Zustand zwischen „oxidiert“ und „nicht oxidiert“ zu tun hatte – ein schwer zu interpretierendes Ergebnis. 

Verständlich wird das aber, wenn man feststellt, dass nicht jedes Körnchen der Rhodium-Folie in gleichem Maß oxidiert wird. Die Oxidation beginnt dort, wo es Ecken, Kanten und Stufen gibt – dort fällt es den Sauerstoffatomen besonders leicht, sich an die Oberfläche zu binden. Daher werden unterschiedliche Körnchen mit unterschiedlicher Oberflächenstruktur unterschiedlich stark oxidiert.

Elektronenmikroskop und Synchrotron in Triest

Feststellen konnte man das mit einer Kombination hochentwickelter Technologien: „In einem speziellen Elektronenmikroskop wird die Probe während der chemischen Reaktion mit UV-Licht bestrahlt und die dabei entstehende Elektronenemission wird ortsäufgelöst mikrometergenau gemessen“, erklärt Yuri Suchorski, „dadurch kann man genau feststellen, welche Körnchen der Folie katalytisch besonders aktiv sind. Dieselbe Probe wird dann mit einem ganz anderen Mikroskop noch einmal untersucht: körnchenweise mit Röntgenstrahlung am Synchrotron, was ganz präzise Auskunft über die Oberflächenoxidation der Probe liefert.“

Wenn man beide Ergebnisse verbindet, kann man genau feststellen, welche Strukturen welches chemische Verhalten zeigen. Der entscheidende Vorteil: Man kann in einem einzigen Experiment die gesamte Folie untersuchen, mit hunderten unterschiedlichen Körnchen. Anstatt winzige Einkristalle getrennt voneinander zu studieren kann man eine einzige Probe verwenden, die mehrere Strukturen beinhaltet, welche unter realen Bedingungen für die Katalyse eingesetzt werden, und dabei Auskunft über die Eigenschaften dieser Strukturen auf einmal erhalten.

„Für die Katalyseforschung ist das ein wichtiger Schritt“, betont Rupprechter. „Wir müssen uns nun nicht mehr damit zufriedengeben, einen Mittelwert zu messen, der die gesamte Probe ungenügend beschreibt, sondern können wirklich im Detail verstehen, welche atomaren Strukturen welche Auswirkungen haben. Damit wird es auch möglich sein, wichtige Katalysatoren, die man in der Energie- und Umwelttechnik für viele Einsatzzwecke benötigt, gezielt zu verbessern.“

Originalveröffentlichung:
Winkler, P., Zeininger, J., Suchorski, Y. et al.; "How the anisotropy of surface oxide formation influences the transient activity of a surface reaction"; Nat Commun 12, 69 (2021).

Fakten, Hintergründe, Dossiers

Mehr über TU Wien

  • News

    Überraschende Effekte: Einzelne Atome als Katalysatoren

    Metalle wie Gold oder Platin werden oft als Katalysatoren eingesetzt. So dient Platin etwa in Fahrzeugkatalysatoren dazu, giftiges Kohlenmonoxid in ungiftiges Kohlendioxid umzuwandeln. Aufgrund der hohen Kosten solcher Edelmetalle versucht man, sie in Form immer kleinerer Partikel zu nutzen ... mehr

    Stabile Katalysatoren für die Energiewende

    Auf dem Weg zu einer CO2-neutralen Wirtschaft müssen wir eine ganze Reihe von Technologien perfektionieren – dazu zählt die elektrochemische Gewinnung von Wasserstoff aus Wasser, die Brennstoffzelle oder auch die Rückführung von Kohlendioxid aus der Atmosphäre in den Kohlenstoffkreislauf. A ... mehr

    Das überraschende Dehnverhalten der DNA

    Wenn große Kräfte auf einen Balken einwirken, etwa im Brückenbau, dann wird sich der Balken ein bisschen verformen. Die Zusammenhänge zwischen Kräften, inneren Spannungen und Verformungen zu berechnen, gehört zu den Standardaufgaben im Bauingenieurwesen. Aber was passiert, wenn man diese Üb ... mehr

  • q&more Artikel

    Das Herz in der Petrischale

    Regenerative Medizin stellt eine der großen Zukunftshoffnungen und Entwicklungsperspektiven in der medizinischen Forschung des 21. Jahrhunderts dar. Revolu­tionäre Resultate konnten bereits durch gentechnische Eingriffe erzielt werden, ­wobei allerdings ethische und regulatorische Aspekte e ... mehr

  • Autoren

    Dr. Kurt Brunner

    Kurt Brunner, geb. 1973, studierte Technische Chemie an der TU Wien, wo er 2003 am Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften promovierte. Während seiner Dissertation arbeitete er im Bereich der Molekularbiologie der Pilze mit Forschungsaufenthalten an de ... mehr

    Prof. Dr. Marko D. Mihovilovic

    Marko D. Mihovilovic, Jg. 1970, studierte von 1988–1993 technische Chemie an der TU Wien und promovierte dort 1996 im Bereich Organische Synthesechemie. Anschließend war er für Postdoc-Aufenthalte als Erwin-Schrödinger-Stipendiat an der University of New Brunswick, Kanada sowie an der Unive ... mehr

q&more – die Networking-Plattform für exzellente Qualität in Labor und Prozess

q&more verfolgt den Anspruch, aktuelle Forschung und innovative Lösungen sichtbar zu machen und den Wissensaustausch zu unterstützen. Im Fokus des breiten Themenspektrums stehen höchste Qualitätsansprüche in einem hochinnovativen Branchenumfeld. Als moderne Wissensplattform bietet q&more den Akteuren im Markt einzigartige Networking-Möglichkeiten. International renommierte Autoren repräsentieren den aktuellen Wissenstand. Die Originalbeiträge werden attraktiv in einem anspruchsvollen Umfeld präsentiert und deutsch und englisch publiziert. Die Inhalte zeigen neue Konzepte und unkonventionelle Lösungsansätze auf.

> mehr zu q&more

q&more wird unterstützt von:

 

Ihr Bowser ist nicht aktuell. Microsoft Internet Explorer 6.0 unterstützt einige Funktionen auf Chemie.DE nicht.