Einzelne Atome als Katalysatoren

Physik-News vom 02.09.2019


Indem man einzelne Metallatome auf passende Weise in eine Oberfläche einbaut, lässt sich ihr chemisches Verhalten anpassen. Das ermöglicht neue, bessere Katalysatoren.

Sie machen unsere Autos umweltfreundlicher und sind in der chemischen Industrie unverzichtbar: Katalysatoren sind dazu da, bestimmte chemische Reaktionen zu ermöglichen, die sonst nicht oder nur sehr langsam ablaufen würden – etwa die Umwandlung von CO in CO2 in Autoabgasen. An der TU Wien wurden nun wichtige Erfolge in der Oberflächenphysik erzielt, die eine neue Generation von Katalysatoren ermöglichen sollen: Metallatome können einzeln auf einer Metalloxid-Oberfläche platziert werden, sodass sie genau das gewünschte chemische Verhalten zeigen. Vielversprechende Ergebnisse mit Iridium-Atomen gibt es bereits, sie wurden nun im renommierten Fachjournal „Angewandte Chemie“ publiziert.


Gareth Parkinson (links) und Zdenek Jakub.

Publikation:


Z. Jakub et al.
Local Structure and Coordination Define Adsorption in a Model Ir1/Fe3O4 Single-Atom Catalyst
Angew. Chem.2019,131

DOI: 10.1002/ange.201907536



Immer kleiner – bis hin zum Einzelatom

Für Auto-Abgase verwendet man feste Katalysatoren, zum Beispiel aus Platin. Das Gas gerät in Kontakt mit der Metalloberfläche und kann dort chemisch mit anderen Gas-Komponenten reagieren. „Bei diesem Prozess können natürlich nur die äußeren Atome des Metalls eine Rolle spielen, weil das Gas die Atome im Inneren des Metalls gar nicht erreichen kann“, erklärt Prof. Gareth Parkinson vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien. Es ist daher sinnvoll, wenn das Katalysatormaterial als einzelner großer Block, sondern in Form feiner Körnchen vorliegt, damit möglichst viele der Katalysator-Atome auch tatsächlich aktiv werden können. Nachdem viele wichtige Katalysatormaterialien ziemlich teuer sind – etwa Platin, Gold oder Palladium – schlägt sich das auch in den Kosten nieder.

Man versucht daher seit Jahren, das aktive Katalysatormaterial möglichst fein zu verteilen. Optimal wären Einzelatome, die alle genau auf die richtige Weise als Katalysatoren aktiv werden. Allerdings ist es extrem schwer, solche Einzelatome zu fixieren. „Wenn man Metallatome auf einer Oberfläche anlagert, haben sie meist eine sehr starke Tendenz zu verklumpen und Nanopartikel zu bilden“, sagt Gareth Parkinson.

Eine andere Möglichkeit ist, die aktiven Metallatome nicht auf einer Oberfläche anzubringen, sondern in ein kleines Molekül mit genau richtig ausgewählten Nachbaratomen einzubauen. So entsteht eine Katalysator-Flüssigkeit, die man mit flüssigen Substanzen mischt – nach der chemischen Reaktion muss man das Produkt dann vom Katalysator trennen.

Beide Varianten haben Vor- und Nachteile. Feste Metallkatalysatoren haben einen höheren Durchsatz. Man kann sie im Dauerbetrieb laufen lassen, ohne Katalysator und Produktsubstanzen immer wieder mühsam voneinander trennen zu müssen. Bei flüssigen Katalysatoren hingegen ist es einfacher, die Moleküle je nach Bedarf maßzuschneidern.

Das Beste aus beiden Welten

Parkinsons Team an der TU Wien gelang es nun, die Vorteile beider Varianten zu kombinieren: „Seit Jahren beschäftigen wir uns damit, Metalloxidoberflächen auf kontrollierte Weise zu bearbeiten und unter dem Mikroskop abzubilden“, sagt Gareth Parkinson. „Durch diese Erfahrung mit komplizierten oberflächenphysikalischen Problemstellungen gehören wir nun zu den ganz wenigen Labors auf der Welt, die Metallatome ganz gezielt in eine feste Oberfläche einbauen können.“

Ähnlich wie beim Design flüssiger Katalysatoren kann man sich nun exakt überlegen, welche Nachbaratome aus chemischer Sicht möglichst günstig sind – doch mit Hilfe spezieller oberflächenphysikalischer Tricks gelingt es, sie in eine feste Matrix einzubauen.

Anhand von Iridium-Atomen auf einer speziellen Eisenoxid-Oberfläche konnte nun gezeigt werden: Zum einen lassen sich die Iridium-Atome so auf der Oberfläche fixieren, dass sie genau an Ort und Stelle bleiben, ohne sich zu größeren Partikeln zu vereinen, und zum anderen lässt sich die chemische Aktivität der Iridium-Atome anpassen – je nachdem, wie viele atomare Nachbarn sie an der Oberfläche haben. Das kann zum Beispiel genutzt werden, um Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid umzuwandeln.

Optimale Kontrolle

„Einzelatom-Katalyse auf Oberflächen ist ein neues, extrem vielversprechendes Forschungsgebiet“, sagt Gareth Parkinson. „Vereinzelt gab es bereits Messungen mit solchen Katalysatoren – allerdings war der Erfolg bisher eher vom Zufall bestimmt. Wir haben nun erstmals die volle Kontrolle über die atomaren Eigenschaften der Oberfläche und können das anhand von Bildern aus dem Elektronenmikroskop auch ganz klar nachweisen.“


Die News der letzten 14 Tage 11 Meldungen

28.11.2022
Elektrodynamik | Festkörperphysik
Wie man Materialien durchschießt, ohne etwas kaputt zu machen
Wenn man geladene Teilchen durch ultradünne Materialschichten schießt, entstehen manchmal spektakuläre Mikro-Explosionen, manchmal bleibt das Material fast unversehrt.
25.11.2022
Sonnensysteme | Astrophysik
Im dynamischen Netz der Sonnenkorona
In der mittleren Korona der Sonne entdeckt ein Forscherteam netzartige, dynamische Plasmastrukturen – und einen wichtigen Hinweis auf den Antrieb des Sonnenwindes.
25.11.2022
Exoplaneten | Astrophysik
Rätselraten um einen jungen Exo-Gasriesen
Eine Foschergruppe hat einen Super-Jupiter um den sonnenähnlichen Stern HD 114082 entdeckt, der mit einem Alter von 15 Millionen Jahren der jüngste Exoplanet seiner Art ist.
24.11.2022
Teilchenphysik | Festkörperphysik | Quantenphysik
Spin-Korrelation zwischen gepaarten Elektronen nachgewiesen
Physiker haben erstmals experimentell belegt, dass es eine negative Korrelation gibt zwischen den beiden Spins eines verschränkten Elektronenpaares aus einem Supraleiter.
23.11.2022
Festkörperphysik | Quantenoptik
Lichtstrahlen beim Erlöschen zusehen
Ein Forschungsteam konnte erstmals messen, wie das Licht eines Leuchtzentrums in einem Nanodraht nach dessen Anregung durch einen Röntgenpuls abklingt.
22.11.2022
Exoplaneten | Teleskope
Weltraumteleskop JWST: Neues von den Atmospären von Exoplaneten
Beobachtungen des Exoplaneten WASP-39b mit dem James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) haben eine Fülle von Informationen über die Atmosphäre des Planeten geliefert.
21.11.2022
Galaxien | Schwarze Löcher | Teleskope
Schärfster Blick in den Kern eines Quasars
Eine internationale Gruppe von Wissenschaftlern präsentiert neue Beobachtungen des ersten jemals identifizierten Quasars.
22.11.2022
Festkörperphysik | Physikdidaktik
Chemielehrbücher: Es gibt keine Kohlensäure - Falsch!
Die Existenz von Kohlensäure war in der Wissenschaft lange umstritten: theoretisch existent, praktisch kaum nachweisbar, denn an der Erdoberfläche zerfällt die Verbindung.
21.11.2022
Quantenphysik
Ein Quant als Winkel
Die Feinstrukturkonstante ist eine der wichtigsten Naturkonstanten überhaupt: In Wien fand man nun eine bemerkenswerte neue Art, sie zu messen – nämlich als Drehwinkel.
21.11.2022
Akustik | Quantenoptik
Akustische Quantentechnologie: Lichtquanten mit Höchstgeschwindigkeit sortiert
Einem deutsch-spanischen Forscherteam ist es gelungen einzelne Lichtquanten mit höchster Präzision zu kontrollieren.

23.11.2022
Festkörperphysik | Quantenoptik

Lichtstrahlen beim Erlöschen zusehen
Ein Forschungsteam konnte erstmals messen, wie das Licht eines Leuchtzentrums in einem Nanodraht nach dessen Anregung durch einen Röntgenpuls abklingt.
17.04.2018
Festkörperphysik | Plasmaphysik | Teilchenphysik

Gammastrahlungsblitze aus Plasmafäden
Neuartige hocheffiziente und brillante Quelle für Gammastrahlung: Anhand von Modellrechnungen haben Physiker des Heidelberger MPI für Kernphysik eine neue Methode für eine effiziente und brillante Gammastrahlungsquelle vorgeschlagen.
25.05.2018
Festkörperphysik

Kugelmühlen statt Lösungsmittel: Nanographene mit Mechanochemie
Chemiker Dr.
22.11.2018
Astrophysik | Festkörperphysik

TU Berlin: Keramiken aus dem „Sand“ des roten Planeten
Wissenschaftler der TU Berlin fertigen erstmals komplexe geometrische Formen aus simuliertem Marsboden.
22.05.2018
Elektrodynamik | Festkörperphysik | Quantenoptik

Faserlaser mit einstellbarer Wellenlänge
Faserlaser sind ein effizientes und robustes Werkzeug zum Schweißen und Schneiden von Metallen beispielsweise in der Automobilindustrie.
26.04.2019
Elektrodynamik | Thermodynamik | Festkörperphysik

Terahertz-Spektroskopie vertieft Einblick in Halbleiter
Billiardstoß oder Auffahrunfall?
09.05.2018
Festkörperphysik | Thermodynamik

Vorsicht, Glatteis!
Gleiten auf Eis oder Schnee ist viel einfacher als das Gleiten auf den meisten anderen Oberflächen, dies ist allgemein bekannt. Aber warum ist die Eisoberfläche rutschig?
26.10.2018
Festkörperphysik

Unmögliches möglich machen
Multiferroika gelten als Wundermaterial für künftige Datenspeicher – sofern man ihre besonderen Eigenschaften auch bei den Betriebstemperaturen von Computern erhalten kann.
02.10.2019
Elektrodynamik | Festkörperphysik | Quantenphysik

Topologie auf der Spur: ein ultraschnelles Verfahren kitzelt kritische Informationen aus Quantenmaterialien heraus
Topologische Isolatoren sind exotische Quantenmaterialien, die dank einer besonderen elektronischen Struktur entlang ihrer Oberflächen und Kanten elektrischen Strom leiten wie ein Metall.
08.02.2021
Festkörperphysik | Optik

Optischer Schalter für Nanolicht
Forscherinnen und Forscher in Hamburg und den USA haben einen neuartigen Weg für die Programmierung eines Schichtkristalls entwickelt, der bahnbrechende Abbildungsfähigkeiten erzeugt.
09.05.2019
Elektrodynamik | Festkörperphysik

Marcus-Regime in organischen Bauelementen: Ladungstransfer-Mechanismus an Kontakten aufgeklärt
Physiker des Exzellenzclusters Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) der TU Dresden konnten gemeinsam mit Forschern aus Spanien, Belgien und Deutschland in einer Studie zeigen, wie sich Elektronen bei ihrer Injektion in organische Halbleiterfilme verhalten.
25.03.2022
Festkörperphysik

Speedlimit für Computer ermittelt
Bei einer Million Gigahertz ist Schluss: Dann ist die physikalische Grenze der Signalgeschwindigkeit in Transistoren erreicht, wie ein deutsch-österreichisches Physikteam nun festgestellt hat.
16.04.2018
Festkörperphysik | Quantenoptik

Ein Wimpernschlag vom Isolator zum Metall
Dank der geschickten Kombination neuartiger Technologien lassen sich vielversprechende Materialien für die Elektronik von morgen untersuchen.
21.04.2022
Festkörperphysik | Quantenphysik | Teilchenphysik

Das Rätsel ultrakurzer Solitonen-Moleküle
Stabile Pakete von Lichtwellen – sogenannte optische Solitonen – werden in Ultrakurzpuls-Lasern als eine Kette von Lichtblitzen ausgestrahlt.
09.07.2019
Festkörperphysik

Nano-Papier zum Sprühen
Mit einem neuen Sprühverfahren lassen sich sehr gleichmäßige Schichten aus Zellulose-Nanofasern (CNF) im industriellen Maßstab produzieren.
03.04.2018
Festkörperphysik | Quantenphysik

Von der Quantenebene zur Autobatterie
Neue Entwicklungen brauchen neue Materialien.
24.06.2019
Festkörperphysik

Fingerprint-Spektroskopie in einer Millisekunde
Um eine hohe Qualität ihrer Pharmazeutika zu gewährleisten, müssen.
05.07.2018
Festkörperphysik | Teilchenphysik

Neuer Weltrekord bei der direkten solaren Wasserspaltung
In einem nachhaltigen Energiesystem wird Wasserstoff als Speichermedium eine wichtige Rolle spielen.
24.09.2018
Festkörperphysik

Forscher untersuchten Wechselwirkungen in künstlichen Systemen
Wissenschaftler der Universitäten in Leipzig und Princeton haben in Experimenten herausgefunden, wie durch Informationsaustausch zwischen einzelnen Objekten neue Strukturen mit besonderen Eigenschaften entstehen können.
22.04.2020
Elektrodynamik | Festkörperphysik | Quantenphysik

Studie zum Quantenphasen-Übergang im Josephson-Kontakt
Ein deutsch-französisches Forscherteam hat den Stromfluss von Cooper-Elektronenpaaren in Josephson-Kontakten untersucht.
18.12.2018
Festkörperphysik

Reversible Brennstoffzelle bricht Wirkungsgrad-Rekord
Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich haben ein hochgradig effizientes Brennstoffzellen-System in Betrieb genommen, das einen elektrischen Wirkungsgrad im Wasserstoffbetrieb von über 60 Prozent erzielt.
26.02.2019
Thermodynamik | Festkörperphysik

Energiereiche Festkörperbatterie: Hohe Energiedichte mit Lithium-Anode und Hybridelektrolyt
Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich und der Universität Münster haben eine neue Festkörperbatterie vorgestellt, die über eine Anode aus reinem Lithium verfügt.
12.03.2019
Atomphysik | Festkörperphysik

Chemischer Wasserstoffspeicher
Reversibles flüssigorganisches Wasserstoffspeichersystem aus einfachen organischen Chemikalien.
02.09.2022
Planeten | Festkörperphysik | Quantenoptik

Mit Laserblitzen das Innere von Eisplaneten simuliert
Was geht im Zentrum von Planeten wie Neptun und Uranus vor?
12.07.2018
Elektrodynamik | Festkörperphysik | Teilchenphysik

Magnetische Wirbel: Erstmals zwei magnetische Skyrmionenphasen in einem Material entdeckt
Erstmals entdeckte ein Forscherteam in einem Material zwei unabhängige Phasen mit magnetischen Wirbeln, sogenannten Skyrmionen.
09.02.2021
Festkörperphysik

Weltweit erste Videoaufnahme eines Raum-Zeit-Kristalls gelungen
Einem Forschungsteam ist der Versuch gelungen, bei Raumtemperatur einen Mikrometer großen Raum-Zeit-Kristall aus Magnonen entstehen zu lassen.
08.06.2020
Festkörperphysik

Erste globale Karte der Felsstürze auf dem Mond
136610 Gesteinsabgänge zeigt die erste globale Karte von Felsstürzen auf dem Mond – und dass selbst die ältesten Landschaften dort noch immer im Wandel sind.
26.06.2019
Elektrodynamik | Plasmaphysik | Festkörperphysik

Ein Blitz unter Wasser
Elektrochemische Zellen helfen unter anderem dabei, CO2 zu recyceln.
09.07.2020
Festkörperphysik | Quantenphysik

Neue Erkenntnisse über Flüssigkeiten, die ohne Widerstand fließen
Verlustfreie Stromleitung bei Raumtemperatur?
04.10.2019
Festkörperphysik | Quantenoptik

Wie schnell Elektronenspins tanzen: Chemiker untersuchen Wechselwirkung von Metallverbindungen und Licht
Metallverbindungen zeigen ein faszinierendes Verhalten in ihrer Wechselwirkung mit Licht, was zum Beispiel in Leuchtdioden, Solarzellen, Quantencomputern und sogar in der Krebstherapie angewendet wird.
15.07.2019
Teilchenphysik | Festkörperphysik

Beschleunigerphysik: Alternatives Material für supraleitende Hochfrequenzkavitäten getestet
Supraleitende Hochfrequenzkavitäten können Elektronenpakete in modernen Synchrotronquellen und Freien Elektronenlasern mit extrem hoher Energie ausstatten.
23.07.2018
Elektrodynamik | Festkörperphysik

Studie zu Werkstoffprüfung: Schäden in nichtmagnetischem Stahl mit Magnetismus aufspüren
Verschleiß, Korrosion, Materialermüdung – diese Abnutzungserscheinungen sind den meisten Werkstoffen gemein.
11.04.2018
Festkörperphysik

Waldbrände in Kanada sorgen für stärkste jemals gemessene Trübung der Stratosphäre über Europa
Waldbrände können die Sonneneinstrahlung in der oberen Atmosphäre noch stärker trüben als Vulkanausbrüche.
19.10.2018
Elektrodynamik | Festkörperphysik

Magnetische Sensoren ermöglichen richtungsabhängige Temperaturmessung
Durch die Kombination von verschiedenen thermomagnetischen Effekten sind Sensoren für richtungsabhängige Temperatursensoren möglich.
19.01.2022
Festkörperphysik

Mit Physik mehr Bier im Glas
Ist Schaum in der Badewanne oder auf dem Bier durchaus gewünscht, ist die Vermeidung von Schaum – beispielsweise in industriellen Prozessen – ein viel diskutiertes Thema.
25.04.2019
Elektrodynamik | Festkörperphysik | Quantenphysik

Mit Diamanten den Eigenschaften zweidimensionaler Magnete auf der Spur
Physikern der Universität Basel ist es erstmals gelungen, die magnetischen Eigenschaften von atomar dünnen Van-der-Waals-Materialien auf der Nanometerskala zu messen.
02.05.2019
Thermodynamik | Festkörperphysik

Beton beim Explodieren beobachtet
Auch wenn Beton nicht brennbar ist, kann es bei Tunnelbränden gefährlich werden: Hochleistungsbeton kann bei hohen Temperaturen explodieren.
24.11.2022
Teilchenphysik | Festkörperphysik | Quantenphysik

Spin-Korrelation zwischen gepaarten Elektronen nachgewiesen
Physiker haben erstmals experimentell belegt, dass es eine negative Korrelation gibt zwischen den beiden Spins eines verschränkten Elektronenpaares aus einem Supraleiter.
24.09.2019
Elektrodynamik | Festkörperphysik

Elastische Nano-Schichten für bessere Li-Ionen-Akkus
An der TU Wien wurde eine Messmethode entwickelt, durch die es nun möglich werden soll, die Speicherkapazität von Lithium-Ionen-Akkus deutlich zu vergrößern.
13.02.2020
Elektrodynamik | Festkörperphysik | Quantenoptik

Forschenden gelang es erstmals, das elektrische Feld eines Attosekunden-Impulses zeitlich zu gestalten
Chemische Reaktionen werden auf ihrer grundlegendsten Ebene von ihrer jeweiligen elektronischen Struktur und Dynamik bestimmt.
14.06.2019
Festkörperphysik | Quantenoptik

Starre Bindungen für neue Smartphone-Datenspeicher
Experimente am Röntgenlaser zeigen, wie die Datenspeicherung mit neuen Phasenwechselmaterialien noch besser und effizienter werden könnte.
07.07.2020
Elektrodynamik | Festkörperphysik

Robuste Materialien in Schwingung versetzt
Physiker beobachten in Echtzeit extrem schnelle elektronische Änderungen in besonderer Materialklasse.
03.06.2021
Festkörperphysik | Quantenphysik

Quantenbits aus Löchern
Wissenschafter haben ein neues und vielversprechendes Qubit gefunden – an einem Ort, an dem es nichts gibt.
07.01.2019
Festkörperphysik

Photovoltaik-Trend Tandemsolarzellen: Wirkungsgradrekord für Mehrfachsolarzelle auf Siliciumbasis
Siliciumsolarzellen dominieren heute den Photovoltaikmarkt aber die Technologie nähert sich dem theoretisch maximalen Wirkungsgrad an, der mit Silicium als alleinigem Absorbermaterial erreicht werden kann.
03.09.2018
Festkörperphysik | Teilchenphysik

Die Vermessung der Nanowelt
Forscher etablieren einen Maßstab zur genauen Bestimmung von Abständen innerhalb einzelner Moleküle.
18.05.2020
Festkörperphysik

Supraleitung: Materialien, die Vergangenheit und Zukunft unterscheiden können
Physiker der TU Dresden haben einen spontan zeitlich stabilen magnetischen Zustand mit verletzter Zeitumkehr Symmetrie in der Materialklasse der eisenbasierten Supraleiter entdeckt.
10.04.2018
Festkörperphysik

Neue Methode für Einblicke in Wechselwirkungen zwischen Molekülen / Atomar definierte Mess-Spitze
Nanowissenschaftler der WWU zeigen nun in einer im Fachmagazin „Nature Nanotechnology“ veröffentlichten Studie, wie die Strukturen organischer Moleküle mit ungeahnter Genauigkeit sichtbar gemacht werden können.
15.06.2021
Festkörperphysik | Quantenoptik

Ultrakurze Verzögerung
Trifft Licht auf Materie geht das an deren Elektronen nicht spurlos vorüber.
07.06.2018
Festkörperphysik

Saarbrücker Physiker testen selbstangetriebene Tröpfchen als Mini-Transporter
In den Lebenswissenschaften arbeiten Forscher daran, mithilfe winziger „Transportvehikel“ Arzneistoffe oder andere Moleküle in den menschlichen Körper zu schleusen.
24.02.2020
Elektrodynamik | Festkörperphysik

Kurzfilm eines magnetischen Nanowirbels
Erstmals haben Forschende am Paul Scherrer Institut PSI einen «3-D-Film» von magnetischen Vorgängen im Nanometerbereich aufgenommen.