Ein Team von Wissenschaftlern hat durch den Einsatz modernster Technologien neue Einblicke in die Dynamik von Nanokatalysatoren während der katalytischen Prozesse gewonnen. Diese Forschung wurde am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie sowie am DESY NanoLab durchgeführt. Die untersuchten Nanopartikel bestehen aus einem Platin-Kern, der von einer Rhodium-Schicht umgeben ist. Diese spezielle Architektur ermöglicht es den Forschern, die strukturellen Veränderungen in Rhodium-Platin-Katalysatoren, die häufig in der Abgasreinigung verwendet werden, besser zu verstehen.
Nanokatalysatoren sind aufgrund ihrer extrem kleinen Größe von weniger als einem Zehntausendstel Millimeter und ihrer enormen Oberfläche besonders attraktiv für chemische Reaktionen. Diese Eigenschaften machen sie zu wertvollen Hilfsmitteln in der Umwelttechnik, in der industriellen Synthese und bei der Herstellung nachhaltiger Brennstoffe aus CO2 und Wasserstoff. Platin ist einer der am häufigsten verwendeten Metallkatalysatoren, insbesondere in der heterogenen Katalyse, wo es hilft, schädliche Gase wie Kohlenmonoxid in weniger schädliches Kohlendioxid umzuwandeln.
Die Kombination von Platin mit Rhodium kann die Effizienz dieser Katalysatoren erheblich steigern. Dabei ist die Verteilung der beiden Elemente entscheidend für die Leistung des Katalysators. Die Forscher haben Kern-Schale-Nanopartikel entwickelt, die eine feine Rhodium-Schicht um einen Platin-Kern bilden. Diese Konfiguration ermöglicht es, die optimale Verteilung der Elemente zu erforschen, um die Lebensdauer der Katalysatoren zu verlängern.
Ein zentrales Ziel der aktuellen Forschung war es, die Veränderungen an der chemischen Zusammensetzung der Katalysatoroberfläche während des Betriebs zu untersuchen. Dr. Thomas F. Keller, der die Mikroskopiegruppe am DESY NanoLab leitet, und sein Team haben an der Synchrotronquelle BESSY II detaillierte Analysen der Pt-Rh-Nanopartikel durchgeführt. Mit Rasterelektronenmikroskopie und Rasterkraftmikroskopie konnten sie die Nanopartikel charakterisieren und Markierungen anbringen, um ihre Veränderungen in Echtzeit zu verfolgen.
Ein besonders innovatives Instrument, das SMART des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft, wurde genutzt, um die Nanopartikel mithilfe von Röntgenlicht zu analysieren. Diese Technik, bekannt als Röntgenphotoelektronen-Spektroskopie im Mikroskop-Modus (XPEEM), ermöglicht es, chemische Prozesse auf der Ebene einzelner Atome mit einer Auflösung von 5 bis 10 Nanometern zu beobachten. Dies ist eine außergewöhnliche Fähigkeit, die den Forschern erlaubt, die chemischen Reaktionen an den oberflächennahen Atomlagen der Nanopartikel zu untersuchen.
Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass Rhodium während der Katalyse teilweise in den Platin-Kern diffundieren kann. Beide Elemente sind bei den typischen Einsatztemperaturen der Katalysatoren mischbar. Dieser Diffusionsprozess wird in einer reduzierenden Umgebung, wie etwa bei der Verwendung von Wasserstoff (H2), verstärkt, während er in einer oxidierenden Umgebung, wie bei Sauerstoff (O2), gehemmt wird, ohne dass der Netto-Fluss von Rhodium in Platin umgekehrt wird. Interessanterweise nimmt die Diffusion mit steigender Temperatur deutlich zu.
Zusätzlich zeigt die Studie, dass die Reaktionsraten von der Orientierung der kristallinen Facetten der Nanopartikel abhängen. An bestimmten Facetten sind die Oxidationsprozesse besonders ausgeprägt, was darauf hinweist, dass diese Bereiche für die chemischen Reaktionen besonders aktiv sind. Diese Erkenntnisse sind von großem Wert für die Optimierung von Nanokatalysatoren, die sich im Betrieb irreversibel verändern können.
Die detaillierte Analyse des Oxidationsverhaltens dieser Nanokatalysatoren ist ein wichtiger Schritt in der Entwicklung effizienterer Katalysatoren, die in der Lage sind, umweltfreundliche chemische Reaktionen zu fördern. Solche Fortschritte könnten entscheidend dazu beitragen, die Emissionen in industriellen Prozessen zu reduzieren und nachhaltigere Energielösungen zu entwickeln.
