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News: Autokatalysator im Laserlicht

Deutschen Wissenschaftlern ist es gelungen, mit Hilfe von Lasermethoden erstmals die atomare Wechselwirkung zwischen Kohlenmonoxid und Palladium-Katalysatoren unter technisch relevanten Bedingungen zu beobachten. Untersuchungen dieser Art waren bislang meist nur im (Ultrahoch-) Vakuum an einfachen Modellsystemen möglich, während technische Prozesse bei höheren Drücken auf komplexen Katalysatoren ablaufen. Die Wechselwirkung zwischen Kohlenmonoxid-Molekülen und Palladium-Nanoteilchen ließ sich bei Atmosphärendruck verfolgen.
Katalysatoren bestehen meist aus winzigen Edelmetallteilchen, die auf einem Trägermaterial aufgebracht sind. Mit winzig meint man hier wenige Nanometer, das heißt Millionstel Millimeter. Die wichtigste Aufgabe des Trägermaterials ist die Stabilisierung der kleinen Metallteilchen, der Träger kann aber manchmal auch zur katalytischen Wirkungsweise beitragen. Der wohl bekannteste Katalysator, der Autoabgaskatalysator, besteht hauptsächlich aus Platin-, Rhodium-, und Palladium-Nanoteilchen auf Aluminiumoxid- und Ceroxid-Trägern.

Thilo Dellwig, Günther Rupprechter und Holger Unterhalt aus der Abteilung von Hans-Joachim Freund des Berliner Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft ist es nun gelungen, die Wechselwirkung von Kohlenmonoxid mit Palladium-Nanoteilchen auf einem Aluminiumoxid-Träger unter technisch relevanten Bedingungen zu verfolgen (Physical Review Letters vom 28. August 2000). Sie konnten zeigen, dass Kohlenmonoxid (CO) in Abhängigkeit vom Gasdruck, der Rauheit der Metallteilchen und der Probentemperatur verschiedene Bindungsplätze auf den Palladium-Teilchen besetzt.

Im Fall von drei Nanometer großen, rauen Palladiumteilchen bindet bei niedrigem Druck (weniger als ein Tausendstel des Luftdrucks) etwa die Hälfte der CO-Moleküle an einzelne Palladium-Atome, während die andere Hälfte genau zwischen zwei Palladium-Atomen sitzt. Verwendet man für das gleiche Experiment sechs Nanometer große Palladium-Teilchen mit glatten Oberflächen, ist CO fast immer an zwei Palladium-Atome gebunden. Wird nun jedoch der Druck auf den halben Luftdruck gesteigert, das heißt, in einen technisch relevanten Bereich, besetzt CO unabhängig von der Teilchenstruktur und Temperatur beide Bindungsplätze. Der hohe CO-Gasdruck gleicht dann alle Unterschiede zwischen den Katalysatoren aus. Da die Wirkungsweise eines Katalysators stark von den Bindungsplätzen der Gasmoleküle abhängt, ist die Bestimmung solcher Geometrien ein wichtiger Schritt zum Verständnis katalytischer Prozesse.

Bei herkömmlichen Untersuchungsmethoden würde die Anwesenheit von Kohlenmonoxid-Gas über der Probe die Beobachtung der direkt an den Katalysator gebundenen CO-Moleküle verhindern oder zumindest sehr stark erschweren. Deshalb setzten die Wissenschaftler des Fritz-Haber-Instituts eine besondere Technik, die Summenfrequenzerzeugungs-Spektroskopie, erstmals zur Charakterisierung von Nanoteilchen ein. Diese Methode ist nahezu unempfindlich gegenüber der Gasphase, sodass an der Oberfläche gebundende Moleküle selektiv untersucht werden können.

Zwei Laserstrahlen werden dazu auf die Oberfläche des Katalysators fokussiert, wobei ein Laserstrahl im sichtbaren Bereich liegt und die Wellenlänge des anderen im Infraroten variiert wird. Unter bestimmten Bedingungen können die CO-Moleküle zu Schwingungen angeregt werden, was in weiterer Folge zur Aussendung von sichtbarem Licht führt. Verfolgt man die Intensität dieses Lichtes in Abhängigkeit von der Wellenlänge des infraroten Laserstrahls, kann man die Art der Anbindung des CO an die Oberfläche der Palladium-Teilchen erkennen.

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