Chemieingenieure der EPFL haben eine neue Methode zur Herstellung von Katalysatoren entwickelt, motiviert durch die Aussicht, Treibhausgase wie Kohlendioxid in hochwertige Chemikalien wie Methanol umzuwandeln. Katalysatoren sind ein entscheidendes Werkzeug für die chemische Industrie. Sie werden häufig bei der Herstellung von Petrochemikalien eingesetzt. Mit ihrem Verfahren haben die Wissenschaftler eine Möglichkeit entwickelt, Metallcluster auf festen Trägern mit nahezu atomarer Genauigkeit aufzubauen, die die katalytische Aktivität verbessern können. Ihre Ergebnisse wurden in Nature Catalysis veröffentlicht.
"Es geht darum, pro Stunde und pro Katalysatormenge so viel Produkt wie möglich herzustellen. Wir haben herausgefunden, dass man ein aktiveres Material erhält, wenn ein Katalysator mit nahezu atomarer Genauigkeit präpariert wird", erklärt Jeremy Luterbacher, Professor am Labor für nachhaltige und katalytische Prozesse der EPFL. "Diese Technik ist besonders interessant bei komplexen Reaktionen, wie der von Kohlendioxid mit Wasserstoffgas zur Gewinnung von erneuerbarem Methanol."
Einige Begriffe aus der Katalyse
Obwohl sie in der Industrie allgegenwärtig sind, werden wir meist erst durch den Auspuff unserer Autos auf die Existenz von festen Katalysatoren aufmerksam. Ein Katalysator wandelt dort die Abgase aus der Verbrennung des Motors um und trägt dazu bei, die Menge der in die Luft freigesetzten Schadstoffe zu verringern. Die Motoren von Fahrzeugen produzieren unter anderem Kohlenmonoxid. Dieses geruchlose und unsichtbare Giftgas, das in hoher Konzentration eingeatmet wird, kann zu Unwohlsein oder sogar zum Tod führen. In der Kammer befindet sich ein Katalysator, der normalerweise aus Platin- oder Palladiumpartikeln auf einem billigeren Feststoff besteht. Das Metall erleichtert die Reaktion zwischen Luft und Schadstoffen wie Kohlenmonoxid, so dass das weniger giftige Kohlendioxid in die Luft freigesetzt wird."Eine Reaktion kann bei hohen Temperaturen auch ohne Katalysator stattfinden. Ein Beispiel dafür ist die Verbrennung von Kohlenmonoxid in einer Flamme. In diesem Fall ist die Kollisionskraft zwischen dem Schadstoff und dem Sauerstoff groß genug, um Kohlendioxid zu bilden, weil das Material heiß genug ist, um einen ausreichenden Aufprall zu erzeugen", erklärt Jeremy Luterbacher. "Mit einem Katalysator verbinden sich Kohlenmonoxid und Sauerstoff mit einer Metalloberfläche und reagieren, obwohl die Kollision bei niedrigeren Temperaturen stattfindet. Es ist ein bisschen so, als würden sie auf der Oberfläche des Katalysators Schlittschuh laufen, die die Umwandlung zwischen dem Schadstoff und dem Reaktanten unterstützt."
Eine ultrapräzise Abscheidung
Um einen festen Katalysator herzustellen, wird ein Metallpartikel auf einem anderen Material mit einer großen Kontaktfläche, z. B. einem porösen Pulver, abgeschieden, um den Kontakt mit dem Reaktanten zu maximieren.Jeremy Luterbacher und sein Team fragten sich, ob sie die Reaktionen kontrollieren und beschleunigen könnten, indem sie die Zusammensetzung des Katalysators genau kontrollierten. Zum Beispiel, indem sie genau die richtige Menge an Materialien auswählten, um zu kontrollieren, wie stark sich die Reaktanten an den Katalysator binden würden. In einer früheren Forschungsarbeit hatten sie bereits herausgefunden, dass es möglich ist, kleine Metallcluster auf Metallträgern abzuscheiden, und zwar mit einem Präzisionsgrad, der an ein Atom heranreicht. Diese Methode, die als liquid-phase atomic layer deposition (ALD) bezeichnet wird, ist ideal, um präzise Stellen für die aktive Katalyse zu schaffen, um eine Reaktion zu ermöglichen.
Tatsächlich konnte das EPFL-Team durch die Ablagerung dieser kleinen Cluster aus mehreren Metallen in fast atomarem Maßstab Kohlendioxid mehr als zehnmal schneller hydrieren als mit einem Katalysator aus derselben Zusammensetzung, der ohne ihre Methode hergestellt worden war. Sie verwendeten Magnesiumoxid als Trägermaterial - das sich normalerweise zu stark an Kohlendioxid bindet, um reaktiv zu sein -, das sie auf Zirkoniuminseln auftrugen - ein Material, das sich normalerweise zu schwach an Kohlendioxid bindet. Anschließend fügten sie Kupfer hinzu, um Wasserstoff zu aktivieren. Indem sie diese Elemente im richtigen Verhältnis kombinierten, schienen die Wissenschaftler die ideale Formel gefunden zu haben, um schnell große Mengen Methanol und nur sehr wenige andere Nebenprodukte zu erzeugen.
"Magnesiumoxid ist weithin als stabiles Material zur Abscheidung von CO2 anerkannt, aber seine hohe Affinität hat seine Verwendung als Katalysatorträger eingeschränkt. Wir haben diese Einschränkung in eine Chance verwandelt, indem wir es mit Zirkonium kombiniert haben. Das optimale Gleichgewicht durch die Kombination von MgO und ZrO2 mit ihren unterschiedlichen Eigenschaften zu finden, war nur mit Hilfe eines leistungsstarken Werkzeugs zur Flüssigphasen-Atomschichtabscheidung möglich", erklärt Seongmin Jin, ehemaliger Postdoc am Labor und Erstautor der Studie.
"Wenn wir die Menge des katalytischen Materials mit seinem Kupfergehalt vergleichen, erweist sich unser Katalysator als aktiver als seine kommerziellen Gegenstücke. Unsere Aktivität pro aktiver Stelle ist ebenfalls höher. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass im Verhältnis zum Gesamtgewicht des Katalysators unsere Aktivität immer noch geringer ist als die der kommerziellen Äquivalente, weil wir noch einen Weg finden müssen, um viel mehr Cluster auf der Oberfläche zu erzeugen. Wir haben jedoch gezeigt, dass man auf atomarer Ebene eine hohe Beherrschung erreichen kann - eine Beherrschung, die sich als sehr wichtig erweist. Sie eröffnet neue Möglichkeiten und Erkundungen in Bezug auf Metallkombinationen", schloss Jeremy Luterbacher.
