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Ladungsverteilung eines nanooxidierten Palladiumclusters.
Die blauen Bereiche befinden sich an den Orten der Palladium-Atome
und repräsentieren Ladungsunterschuss. Die gelben Bereiche
bedecken die Sauerstoffatome und stellen Ladungsanhäufung dar. Das
Nanooxid ist ein wichtiger Zwischenzustand für die Verbrennung von
CO zu CO2.
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Das Ergebnis kommt zunächst ganz unscheinbar
daher: Mitarbeiter des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM
und des Materialforschungszentrum der Universität Freiburg berechnen
und erklären zusammen mit Kollegen der finnischen Universität
Jyväskylä, die katalytischen Eigenschaften von Palladium-Nanopartikeln
auf einer keramischen Oberfläche und entdecken dabei einen neuartigen
Katalysemechanismus. Bei genauerem Hinsehen haben diese Resultate
jedoch weit reichende Konsequenzen für die Luftreinhaltung. Die
Forschergruppe um Michael Moseler fand nämlich, dass besonders kleine
Palladiumpartikel schon bei tiefen Temperaturen Sauerstoffmoleküle (O2)
aus der Umgebung zu atomarem Sauerstoff aufbrechen und in ihrem Innern
speichern. Das dabei entstandene Palladium-Nanooxid zieht
Kohlenmonoxid (CO) aus der Umgebung an, setzt gleichzeitig den
atomaren Sauerstoff wieder frei und verbrennt dabei das giftige CO zu
unschädlichem Kohlendioxid. Hinter dieser Entdeckung und der ihr
zugrunde liegenden Modellierung der "Oxidation magnesiumgeträgerter
Palladium-Cluster" verbergen sich intensive Forschungsarbeit und
wertvolle Erkenntnisse für Katalysatorenhersteller der
Fahrzeugindustrie.
Es geht um die katalytischen Eigenschaften von Übergangsmetallen, und
im Besonderen von Palladium. Dieses kostbare Metall sitzt in den
Keramikwaben der heutigen Autokatalysatoren. Dort beschleunigt es die
entscheidenden Reaktionen, die zur Luftreinhaltung erforderlich sind.
So sorgt es unter anderem dafür, dass Kohlenmonoxid in das für die
Atemluft unschädliche Kohlendioxid oxidiert wird, oder dass "saures"
Stickstoffmonoxid mit Kohlenmonoxid zu Stickstoff und Kohlendioxid
reagiert. Doch obwohl Autokatalysatoren mittlerweile seit 20 Jahren
eingesetzt werden, "ist ihre genaue Funktionsweise immer noch
unverstanden", erläutert Michael Moseler, Mitarbeiter am Fraunhofer
IWM Freiburg und am Materialforschungszentrum der Universität.
Einige zehn Nanometer sind die Partikel in den gängigen Kats groß.
Diese sind riesig im Vergleich zu den atomaren Clustern, die Moseler
und seine Kollegen untersuchen. Die Frage, so Moseler, war zunächst:
"Wie und wo reagiert der Sauerstoff mit dem Kohlenmonoxid, und wie
kann man diese Reaktion beschleunigen?" Die Antwort darauf wurde aber
nicht durch Experimente, sondern mit Hilfe des Superrechners im John
von Neumann-Institut für Computing in Jülich gefunden. Bei der
quantenmechanischen Berechnung von neun Palladium-Atomen auf einem
Keramikträger zeigte sich, dass die Sauerstoffatome schon bei sehr
niedrigen Temperaturen - circa minus 20 Grad Celsius - angelagert
wurden, um anschließend bei ähnlich tiefen Temperaturen mit dem
Kohlenmonoxid zu reagieren.
Anders gesagt: Die Oxidation des Kohlenmonoxids, ist auch bei kaltem
Motor, kaltem Kat und niedrigen Außentemperaturen kein Problem - "wenn
die Keramik mit ultrafeinen Nanopartikeln beschichtet ist", betont
Michael Moseler. Denn nur die kleinen Partikel mit wenigen Atomen
reagieren so schnell. "Größere Palladiuminseln katalysieren erst von
100 Grad Celsius aufwärts", erläutert Michael Moseler.
Das herauszufinden, hat die Forscher aus Freiburg und dem finnischen
Jyväskylä zwei Jahre gekostet. Es galt ein Rechenmodell mit den
entscheidenden Parametern zu entwickeln, und "geduldig auf die
häppchenweise Zuteilung von 100000den von Prozessorstunden zu warten,"
stöhnt Bernd Huber, Doktorand am Freiburger Materialforschungszentrum
und Erstautor der Publikation. Der Aufwand hat sich gelohnt.
Experimentelle Untersuchungen von Ulrich Heiz, Professor an der
Technischen Universität München, geben den Theoretikern in allen
wesentlichen Punkten Recht. Im Gegensatz zu den Experimentatoren haben
die Theoretiker um Moseler jedoch Einblick in die grundlegenden
atomistischen Prozesse und damit in mögliche neue Konzepte für
Katalysatoren.
"Wenn Hersteller von Katalysatoren die Designvorgaben berücksichtigen,
die sich aus unserer Arbeit ergeben, dann wird die Luft bald noch
sauberer sein", ist Michael Moseler überzeugt. Im Detail stellen
Moseler und seine Kollegen ihre Arbeit, die von der Deutschen
Forschungsgemeinschaft unterstützt wird, ab 5. Dezember in der
online-Ausgabe und danach in der Januar-Ausgabe 2006 der Zeitschrift
"Nature Materials" vor.
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