Wiener Forscher arbeiten an besseren Palladium-Katalysatoren

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Die chemischen Vorgänge auf Palladium-Körnchen, wie man sie auch für Abgaskatalysatoren verwendet, ändern sich sehr deutlich, wenn man sie auf bestimmte Trägermaterialien platziert – auch wenn diese Oberflächen für die chemische Reaktion selbst fast gar keine Rolle spielen. Das haben Untersuchungen an der TU Wien ergeben. Diese Erkenntnis wurde nun im Fachjournal "Nature Materials" publiziert.

Giftiges Kohlenmonoxid

In Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor muss giftiges Kohlenmonoxid (CO) in Kohlendioxid (CO₂) umgewandelt werden. Das geschieht mithilfe eines Katalysators aus Palladium- oder Platinpulver. Wenn die Oberfläche der Pulverkörnchen mit Sauerstoffatomen bedeckt ist, können CO-Moleküle mit den Sauerstoffatomen reagieren, aus CO-Molekülen wird CO₂ und in der Sauerstoffschicht bleiben Lücken zurück. Diese Lücken sollen schnell von anderen Sauerstoff-Atomen nachbesetzt werden. Problematisch wird es, wenn CO-Moleküle anstatt von Sauerstoff diese Lücken ausfüllen. Geschieht das in großem Ausmaß, sodass das Pulverkorn schließlich nicht mehr von einer Sauerstoffschicht, sondern mit einer CO-Schicht bedeckt ist, kann kein CO₂ mehr gebildet werden. Man spricht dann von der "Kohlenmonoxid-Vergiftung" des Katalysators, die katalytische Wirkung erlischt.

Der Untergrund beeinflusst das ganze Korn

Ob und wann das geschieht, hängt von der CO-Konzentration im Abgas ab, das dem Katalysator zugefügt wird. Doch wie jetzt Experimente zeigen, ist auch entscheidend, auf welcher Unterlage die Palladium-Körnchen aufgebracht sind. "Wenn die Körnchen auf einer Oberfläche aus Zirkoniumoxid oder Magnesiumoxid sitzen, dann kommt es erst bei viel höheren Kohlenmonoxid-Konzentrationen zur Katalysator-Vergiftung“, sagt Professor Yuri Suchorski, der Erstautor der Studie. 

Warum das so ist, konnten Forscher am Institut für Materialchemie der TU Wien mithilfe eines speziellen Photoemissionselektronenmikroskops ergründen. Mit diesem Gerät kann man den räumlichen Verlauf einer katalytischen Reaktion in Echtzeit abbilden. "Wir konnten so ganz deutlich erkennen, dass die Kohlenmonoxid-Vergiftung immer am Rand eines Körnchens beginnt – genau dort, wo es auf dem Träger aufliegt", erklärt Professor Yuri Suchorski. "Von dort aus breitet sich dann die 'Kohlenmonoxid-Vergiftung' wie eine Tsunami-Welle über das ganze Körnchen aus."

Am Rand kann das Kohlenmonoxid am besten attackieren

Dass diese Welle genau dort ihren Ausgang nimmt, habe laut den Forschern hauptsächlich geometrische Gründe: Die Sauerstoffatome am Körnchen-Rand haben weniger Sauerstoffatome als Nachbarn. Wenn sich dort eine freie Stelle auftut, ist es daher für ein CO-Molekül leichter, sich festzusetzen als irgendwo mitten auf der freien Fläche, wo ringsherum weitere Sauerstoffmoleküle mit dem CO-Molekül reagieren könnten. Außerdem können freigewordene Stellen am Rand auch nicht so einfach von anderen Sauerstoffatomen nachbesetzt werden, denn Sauerstoffatome kommen immer zu zweit, als O₂-Molekül. Sie brauchen daher zwei nebeneinander liegende freie Plätze, um eine freigewordene Lücke füllen zu können, und dafür findet sich ganz am Rand nicht so leicht Platz.

Der Rand, wo das Körnchen direkten Kontakt mit dem Untergrund hat, ist also eine strategisch entscheidende Stelle – und genau dort sei der Träger in der Lage, die Eigenschaften des Metallkorns zu beeinflussen: "Berechnungen unserer Kooperationspartner von der Universität Barcelona zeigen, dass die Bindung zwischen den Metallatomen des Körnchens und der schützenden Sauerstoffschicht genau am Auflage-Rand verstärkt ist", sagt Professor Günther Rupprechter. Die Palladium-Atome in direktem Kontakt mit dem Trägeroxid können den Sauerstoff also besser festhalten.

Da die Kohlenmonoxid-Vergiftung genau an dieser Stelle beginnt, habe dieser kleine Effekt eine große strategische Bedeutung. Der Auflage-Rand ist laut den Forschern gewissermaßen die Schwachstelle des Korns – und wenn diese Schwachstelle verstärkt wird, weil die katalytische Fähigkeit der Metallatome genau dort von der Unterlage positiv beeinflusst wird, kann man das ganze mikrometergroße Katalysator-Körnchen vor der Kohlenmonoxid-Vergiftung schützen.