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News: Katalysatoren-Zwiebel

Nanostrukturierte Materialien sorgten schon so manches Mal für Überraschungen, schließlich unterscheiden sich ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften teils erheblich von voluminöserer Materie. Nun erwiesen sich winzige, schalenartig aufgebaute Kohlenstoffpartikel als ausgezeichneter Katalysator für eine chemische Reaktion und schlugen dabei alle anderen Kohlenstoff-Varianten um Längen.
Die Entdeckung der Fullerene – Kohlenstoff-Moleküle, die wie winzige Fußbälle aufgebaut sind – veranlasste Forscher auch nach weiteren bisher unbekannten Kohlenstoff-Modifikationen zu suchen. Inzwischen haben sie ein ganzes Kaleidoskop an verwandten Materialien synthetisiert. Von den einzigartigen chemischen und physikalischen Eigenschaften dieser Nanoröhren, Nanokugeln, Nanobündel und zwiebelförmigen Kohlenstoff-Modifikationen erhoffen sie sich viele interessante neue Anwendungen.

Nicolas Keller und seine Kollegen vom Fritz-Haber-Institut in Berlin und dem Boreskov Institute of Catalysis in Novosibirsk haben nun die Eigenschaften der zwiebelförmigen Kohlenstoff-Moleküle genauer unter die Lupe genommen: Insbesondere untersuchten die Forscher das katalytische Potenzial dieses Materials.

Aber was soll man sich unter den "Kohlenstoff-Zwiebeln" überhaupt vorstellen? Nun, es handelt sich um Kohlenstoff-Partikelchen von nur einigen Nanometern Durchmesser. Diese Partikel sind aus mehreren geschlossenen Schalen aus Kohlenstoffatomen aufgebaut. Und wie bei einer richtigen Zwiebel wird dabei eine Schale von der nächsten umschlossen.

Der Aufbau der einzelnen Schalen entspricht der Anordnung, die die Kohlenstoffatome in den Schichten von Graphit einnehmen. Das heißt, die Kohlenstoffatome finden sich zu Sechserringen zusammen. Diese nahezu perfekte graphitartige Struktur der "Zwiebeln", die wegen der Krümmung der Schalen aber unter Spannung steht, reizte die Forscher. Denn gerade die Struktur verspricht interessante katalytische Eigenschaften.

So wollte das internationale Wissenschaftlerteam wissen, ob die Zwiebelchen auch als Katalysatoren für Prozesse wie die Styrolsynthese taugen. Das Verfahren zählt zu den zehn bedeutendsten Prozessen der chemischen Industrie, denn Styrol ist ein wichtiger Rohstoff für die Kunststoffherstellung. Oxidative Dehydrierung nennt man das Verfahren, bei der der Ausgangsverbindung Ethylbenzol zwei Wasserstoffatome entzogen werden. Dass Katalysatoren aus Kohlenstoff hierbei recht effektiv sind, war den Forschern bereits bekannt. Warum also nicht die zwiebelartigen Kohlenstoffe testen?

"Mit einer Styrolausbeute von 62 Prozent erzielen die Zwiebelchen deutlich bessere Ergebnisse als die heute industriell angewendeten Katalysatoren und als alle anderen untersuchten Kohlenstoff-Modifikationen. Eine zukünftige technische Anwendung ist denkbar," berichtet Robert Schlögl aus dem Berliner Team. Wie sich herausstellte, löst sich die Zwiebelstruktur während der Reaktion auf. Grund ist die Anlagerung von Sauerstoff an die Oberfläche des Materials. "Diese Sauerstoffzentren scheinen die eigentlichen aktiven Zentren des Katalysators zu sein", so Schlögl.

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  • Quellen
Angewandte Chemie 114(11): 1962–1966 (2002)

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