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News: Nano-Maulwurf

Abgas-Katalysatoren von Autos bestehen aus winzigen Platin-Partikeln, die auf einem porösen keramischen Träger aufgebracht sind. Bei hohen Temperaturen können diese Partikel sintern, das heißt mit dem Trägermaterial zusammenschmelzen und chemische Reaktionen eingehen. Was passiert dabei nanoskopisch? Und könnte man diese Vorgänge vielleicht nutzen?
Spektrum.de
Zeolithe sind kristalline, hochporöse Silikate. Auf Grund ihrer hohen Oberfläche und ihrer käfigartigen Poren, in die "Gastmoleküle" aufgenommen werden können, sind sie als Ionenaustauscher, Molekularsiebe und Katalysatoren im Einsatz. Doch was geschieht eigentlich bei hohen Temperaturen – wie verhalten sich dann Gast und Gastgeber zueinander?

Japanische Wissenschaftler um Hitoshi Kato vom Japan Fine Ceramics Center wählten nun Zeolithe als Träger für Platin-Partikel und setzten ihn bei 800 Grad Celsius einer Atmosphäre aus, die einem durchschnittlichen Autoabgas entsprach. Nach hundert Stunden sahen sie sich die kleinen platinhaltigen Zeolithkriställchen unter dem Elektronenmikroskop an. Und oh Wunder: Auf der Zeolith-Oberfläche waren keine Platin-Partikel mehr zu erkennen. Wo konnten sie sein?

Der überraschende Befund: Die winzigen Edelmetall-Kügelchen hatten sich regelrecht in die Oberfläche des Zeolithen hinein gegraben. Dabei hinterließen sie kleine Kanäle, die ungefähr dem jeweiligen Durchmesser des Partikels entsprachen und die eine Vorzugsrichtung innerhalb der Zeolith-Kriställchen aufwiesen. Die Kanäle haben einen sechseckigen Querschnitt, was im Einklang mit der Gitterstruktur des Zeolithen steht, und die Kanalwände werden aus Facetten des Kristalls gebildet.

Abgesehen von je einem Platinkügelchen am Ende der Gänge sind diese ansonsten leer, und die umliegende Kristallstruktur wird in keiner Wiese gestört. Offenbar sind einfach einige Atome aus dem Kristallgitter entschwunden. An den Berührungsstellen zwischen Platinteilchen und Zeolith katalysiert das Platin vermutlich eine chemische Reaktion zwischen den Silicium- und Sauerstoffatomen des Zeolithen und Bestandteilen der Abgas-Atmosphäre. Dabei können Bestandteile des Zeolithen in Form von SiO und Si(OH)4 aus dem Kristall austreten. Die Platinteilchen "sinken" immer tiefer in die so entstehenden Löcher ein.

"Das beobachtete Phänomen könnte genutzt werden, um maßgeschneiderte poröse Materialien herzustellen", hofft Kato. "Die Porenanzahl, -form und -größe ließen sich über die Anzahl und den Durchmesser der Platinpartikel, die Dauer des Erhitzens, den gewählten Zeolith-Typus und die Orientierung der Kriställchen einstellen."

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