Mit Ultraschall zu besseren Katalysatoren

News: Mit Ultraschall zu besseren Katalysatoren

Molybdändisulfid kann den Abbau der übelriechenden Schwefelverbindungen in Benzin und anderen fossilen Brennstoffen katalysieren. Durch eine Ultraschallbehandlung mit hoher Intensität kann seine Struktur und dadurch auch die Wirksamkeit drastisch verändert werden.

Molybdändisulfid besteht normalerweise aus großen, flachen Schichten aus Molybdänatomen, die unten und oben von einatomigen Schwefellagen eingeschlossen sind. Da die Wechselwirkungen zwischen den Schwefelschichten nur schwach sind, können diese leicht aufeinander gleiten, was sie zu hervorragenden Hochtemperatur-Schmierstoffen macht. Dementsprechend ist Molybdändisulfid auch vor allem als Schmierstoff für Maschinen und Autos bekannt. Eine zweite, wichtige kommerzielle Anwendung der Verbindung ist die Nutzung als Katalysator im Dienste der Kraftstoffindustrie. Mit Hilfe des Molybdändisulfids werden die schwefelhaltigen Verbindungen des Benzins entfernt. Bei der Verbrennung würden diese ungeliebten Bestandteile sonst zur Bildung des ökologisch schädlichen sauren Regens beitragen.

"Die flachen Ebenen, die Molybdändisulfid zu einem so guten Schmierstoff machen, beeinträchtigen leider auch seine Fähigkeit, mit den Brennstoffen zu reagieren, um den Schwefel zu entfernen", sagte Kenneth Suslick, Professor für Chemie an der University of Illinois. "Der Grund dafür liegt in folgendem: Alle Reaktionen, die zur Entfernung des Schwefels nötig sind, verlaufen entlang der Ränder der ebenen Schichten. Je größer diese Flächen sind, um so weniger Ränder sind – relativ gesehen – vorhanden."

Suslick und die Studenten Millan Mdleleni und Taeghwan Hyeon entdeckten aber eine Möglichkeit, eine Form des Molybdändisulfids mit viel mehr Randatomen als gewöhnlich herzustellen. Sie machten sich hierbei eine Technik zunutze, die als Sonochemie bezeichnet wird und bei der Ultraschall hoher Intensität für genutzt wird. Es gelang ihnen, äußerst kleine Teilchen von Molybdändisulfid herstellen, deren Größe nur ein Tausendstel der Dicke des menschlichen Haares beträgt und die folglich keine planen Flächen bilden können.

Die sonochemische Synthese beruht auf der akustischen Kavitation. Dabei handelt es sich um die Entstehung, das Wachstum und die Implosion kleiner Gasblasen in einer Flüssigkeit, die beschallt wird. Der Zusammenbruch dieser Bläschen erzeugt eine hohe örtliche Aufheizung, bei der innerhalb der kalten Flüssigkeit eine heiße Stelle gebildet wird, deren vorübergehende Temperatur rund 5 000 Grad Celsius beträgt. Gleichzeitig entsteht dort für den Milliardstel Teil einer Sekunde ein Druck von annähernd 1 000 Atmosphären.

"Wenn die Bläschen in sich zusammenbrechen, wird der Dampf aus flüchtigen Verbindungen, die Molybdän enthalten, in heiße Metallatome zerlegt", erklärte Suslick. "Diese Atome reagieren sodann mit in der Flüssigkeit aufgelöstem Schwefel und bilden Cluster von Molybdändisulfid. Die Cluster enthalten jeweils ein paar Tausend Atome und haben einen Durchmesser von ungefähr einem Millionstel Zentimeter."

Dem Bericht der Forscher im Journal of the American Chemical Society (Ausgabe vom 24. Juni 1998) zufolge, sind die Cluster zu klein um ausgedehnte Ebenen zu haben, und enthalten daher viel mehr Randatome, als am Prozeß zur Schwefelentfernung teilnehmen können. "Unser sonochemisch präpariertes Molybdändisulfid ist zehnmal aktiver als der herkömmliche Industriekatalysator", sagte Suslick. "Die sonochemische Synthese ist einfach, schnell, und läßt sich leicht auch in größerem Umfang durchführen."

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