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Anorganische Chemie: Auf dem goldenen Weg zur Katalyse

Gold mag Sportler zu Höchstleistungen anspornen - das Edelmetall selbst ist hingegen chemisch überaus träge. Es sei denn, der Goldsegen fällt submikroskopisch klein aus. Denn Klümpchen von 55 Goldatomen können womöglich sogar molekularen Sauerstoff spalten.
Wer von goldenen Tellerchen isst, braucht sie nicht aufwändig zu putzen. Im Gegensatz zu den meisten anderen Edelmetallen wie beispielsweise Silber läuft reines Gold nämlich an der Luft nicht an, weil es keine chemische Reaktion mit Sauerstoff eingeht. Überhaupt ist Gold kein Freund von Verbindungen oder auch nur Anlagerungen durch andere Elemente. Allenfalls Legierungen, bei denen es nicht zum Austausch von Elektronen kommt, lässt es über sich ergehen. Ansonsten ist es absolut reaktionsträge oder inert, wie Chemiker dazu sagen.

Jedenfalls glaubte die Wissenschaft dies bis vor etwa 20 Jahren. Damals erkannte man, dass winzige Körnchen von Gold unter bestimmten Bedingungen offenbar doch Chemie betreiben können, indem sie die Reaktionen anderer Moleküle als Katalysator unterstützten. Allerdings funktionierte dies nur, solange die Goldklümpchen nicht mehr als wenige Nanometer im Durchmesser maßen und noch einige fördernde Substanzen anwesend waren, etwa Titandioxid. Und vor allem: Niemand hatte eine Ahnung, was zu dem plötzlichen Stimmungswandel in den winzige Goldteilchen führte.

Ein Wissensstand, den Mark Turner und seine Kollegen von der britischen University of Cambridge als höchst unbefriedigend ansahen. Also unterzogen sie selbst Goldkügelchen von verschiedener Größe einigen penibel kontrollierten Experimenten. Die Aufgabe für das Metall war relativ einfach und zugleich von industrieller Bedeutung – das Gold sollte das aromatische Alken Styren mit molekularem Sauerstoff (O2) oxidieren. Und zwar ohne die Hilfe anderer Mitkatalysatoren.

Ein möglicher Reaktionsweg dafür liegt darin, Sauerstoffmoleküle an der Metalloberfläche zu binden und so zu destabilisieren, dass sie leicht in aggressive Sauerstoffatome zerfallen. Diese könnten bei Kontakt mit der Doppelbindung im Styren sich anlagern oder die Bindung aufbrechen. Ein im Prinzip recht simpler Vorgang. Mit dem Nachteil, dass Gold in größeren Mengen sich weigert, den Sauerstoff zu aktivieren.

Wie Turners Team nun herausfand, bedeutet "größere Mengen" in diesem Zusammenhang, dass die Körnchen nicht mehr als etwa 1,4 Nanometer messen dürfen. Schon ab 2 Nanometern ist jedenfalls Schluss mit der Chemie. Darunter katalysierte das Gold jedoch munter die Oxidation des Styrens zu Benzaldehyd, Styrenoxid oder Acetophenon. Es benötigt hierzu keinerlei unterstützende Substanzen – goldene Chemie ganz ohne Doping eben.

Entscheidend ist allein die Größe, und die geht in den Versuchen von Clustern aus 55 Goldatomen aus. Genau mit dieser "magischen" Anzahl von Atomen kann das Metall eine günstige Geometrie einnehmen, die einerseits den geforderten 1,4 Nanometern Durchmesser entspricht und andrerseits die Eigenschaften der Elektronenhüllen im Gold verändert. Mit hochauflösender Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie, bei der die Strahlung Elektronen mit dem passenden Energieniveau aus ihrem Verband schlägt, stellten die Forscher fest, dass einige der Elektronen in den Nanoclustern fester gebunden waren als in größeren Verbänden. Was den Schluss nahe legt, dass die veränderte Elektronenstruktur dem Gold zu seiner überraschenden Reaktionsfreudigkeit im kleinsten Maßstab verhilft.

Damit wäre die Frage, wieso kleines Gold sich so anders verhält als große Medaillen, grob geklärt. Der genaue Reaktionsablauf ist allerdings weiterhin unbekannt. Und auch die industrielle Nutzung wird nicht sofort anlaufen können. Denn noch entsteht bei der Herstellung der feinsten Goldcluster ein buntes Gemisch unterschiedlich großer Kügelchen. Erst mit einem Verfahren zur effizienten Produktion von Gold-55 werden sich nicht nur Sportler nach dem Gold strecken, sondern viel mehr noch die Chemiker.

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  • Quellen
Turner, M. et al.: Selective oxidation with dioxygen by gold nanoparticle catalysts derived from 55-atom clusters. In: Nature 454, S. 981–984, 2008.

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