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Nanokristalle: Winzige Platinwürfel sollen Katalyse verbessern

Platin ist selten und teuer. Hohle Platinnanostrukturen versprechen nun bei gleichem Materialverbrauch eine bis zu siebenfach effizientere Katalyse. Für Brennstoffzellen könnte das den Durchbruch bedeuten.
Hohle Nanowürfel aus PlatinLaden...

Nur 20 Nanometer messen die kleinen Würfel aus Platin. Noch wichtiger: Sie sind innen hohl und haben ultradünne Wände, die nur aus wenigen Atomlagen bestehen. Insgesamt haben diese winzigen Käfige also eine große Oberfläche und bestehen dennoch aus sehr wenig Material. Genau das ist ihr großer Vorteil – denn Platin ist teuer.

Modell der hohlen Platin-NanostrukturenLaden...
Modell der Platinnanokäfige | Links das Schema eines hohlen Platinwürfels, rechts das eines hohlen Oktaeders; beide Formen konnten die Forschenden herstellen. Die unterschiedlichen atomaren Anordnungen dieser zwei Nanostrukturen könnten zu verschiedenen katalytischen Anwendungen passen. Gelb dargestellt sind Platinatome; grün einige Palladiumatome, die vom Herstellungsprozess verbleiben.

Platin wäre ein ideales Material für die Katalyse beispielsweise in Brennstoffzellen. Doch unter anderem am hohen Preis des Edelmetalls ist der große Durchbruch der Brennstoffzellen bisher gescheitert. In der Form der neuen Nanowürfel könnte sich dieses Problem bald erledigt haben: Als Katalysator in den Elektroden der Brennstoffzellen könnten die neuen Nanoplatinwürfel eine siebenfach größere Effizienz aufweisen als massives Platin. Das schreiben die Forschenden um Younan Xia vom Georgia Institute of Technology, USA, im Fachmagazin "Science".

"Wir wollen kein Material verschwenden, das im Innern sitzt und nicht zur Katalyseaktivität beiträgt", erklärt Xia den Ansatz seiner Forschungsgruppe. "Wenn man alles Platin, das momentan auf der Welt zur Verfügung steht, zu einem einzigen großen Block zusammensetzen würde, wäre dieser nur sieben Meter groß", so Xia weiter. "Wir müssen also Wege finden, Platin so effizient wie möglich zu nutzen."

Hohle Nanowürfel aus PlatinLaden...
Nanokäfige aus Platin | Rund 20 Nanometer klein sind die hohlen Würfel aus Platin, die Forschende um Younan Xia hergestellt haben. Hier eine Aufnahme per Transmissionselektronenmikroskopie.

Die Forschenden stellten ihre Nanowürfel her, indem sie auf Palladiumnanokristalle einzelne atomare Lagen Platin aufwachsen ließen. Dieser Prozess ließ sich so gut kontrollieren, dass sie entscheiden konnten, ob sie eine, zwei oder drei atomare Lagen Platin haben wollten, berichtet Xia.

Am Ende ätzten die Forschenden das Palladium unter dem Platin wieder weg, so dass hohle Platinnanokäfige übrig blieben. Je nach Form der ursprünglichen Palladiumvorlagen konnten die Wissenschaftler am Ende gezielt hohle Platinwürfel oder hohle Platinoktaeder erhalten. Hierbei unterschied sich die Anordnung der Platinatome auf der Oberfläche, so dass unterschiedliche Katalyseeigenschaften entstanden, die sich somit an verschiedene Anforderungen anpassen ließen.

Zwar sind hohle Platinnanostrukturen grundsätzlich nichts Neues, doch bisherige Ansätze hatten nur hohle Gebilde herstellen können, deren Wände rund 20 Atomlagen dick waren. Andere Versuche konzentrierten sich darauf, noch kleinere, dafür gefüllte Platinnanopartikel herzustellen. Doch diese wenige Nanometer winzigen Partikel neigen in der Praxis dazu, zusammenzuklumpen – wodurch wieder Oberfläche verloren geht.

Ihre neuen Platinnanokäfige seien weniger als Katalysematerial in konventionellen Fahrzeugmotoren geeignet, so die Forscher. Denn hier entstehen zu hohe Temperaturen, denen die hohlen Würfel nicht standhalten könnten. Für den zukunftsträchtigen Einsatz in Brennstoffzellen dagegen sollte den Platinkäfigen nichts im Wege stehen.

30/2015

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 30/2015

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