News: Reaktor aus goldigen Röhrchen
Brennstoffzellen gelten als die Energielieferanten der Zukunft. Um sie funktionsfähig zu halten, muss jedoch Kohlenmonoxid aus dem Wasserstoff katalytisch entfernt werden - was mit Gold-Nanopartikeln möglich ist. Doch wie läuft diese Katalyse eigentlich ab? Chemiker haben jetzt Gold-Nanoröhrchen gebastelt, um diese Frage zu beantworten.
© Angewandte Chemie (Ausschnitt)
Brennstoffzellen brauchen Wasserstoff. Leider enhält Wasserstoff, der nach den üblichen Verfahren hergestellt wird, größere Mengen an Kohlenmonoxid (CO), das die Funktion der Brennstoffzelle beeinträchtig und entfernt werden muss. Wie Forschungen ergeben haben, sind Nanopartikel aus Gold auf einem Trägermaterial mit hoher Oberfläche gute Katalysatoren, um CO bei Raumtemperatur zu CO2 zu oxidieren. Aber was leistet das Gold dabei – und welche Rolle spielt der Träger?
Um diese Fragen zu beantworten, benötigt man einen Katalysator in "Reinform", der sich ohne seinen Träger untersuchen lässt. Keine leichte Aufgabe, doch das Team um James Dumesic hatte eine pfiffige Idee: Die Forscher von der University of Wisconsin nahmen eine hauchdünne Kunststoff-Membran aus Polycarbonat, die Poren mit Durchmessern von 220 Nanometer enthält. Nach einer speziellen Vorbehandlung der Oberfläche ließen sie Gold auf der Membran abscheiden. Da sich das Edelmetall auch an den Wänden der winzigen Poren ablagerte, entstanden so Nanoröhrchen aus purem Gold.
In einem anschließenden Ätzverfahren trugen die Chemiker die oberste Schicht der Polycarbonatmembran selektiv ab, sodass die Gold-Nanoröhrchen ein Stück herausragten. Diese Membran spannten die Wissenschaftler zwischen zwei Kammern ein; über die eine konnten Gase, über die andere Flüssigkeiten zugeführt werden. Und in der Tat: Die Gold-Nanoröhrchen katalysierten, ganz wie Goldnanopartikel, die Reaktion von CO und O2 zu CO2.
Systematische Untersuchungen der Reaktion brachten nun folgende Erkenntnisse: Die katalytische Aktivität wird durch die Anwesenheit von Wasser in den Röhrchen verstärkt und noch weiter angekurbelt, wenn dessen pH-Wert erhöht, die Flüssigkeit also alkalisch gemacht wird. Offenbar erleichtern Hydroxylgruppen (OH-) – die über basische Stoffe oder durch die Dissoziation von Wassermolekülen auf die Goldoberfläche gelangen – die Interaktion zwischen CO und O2, wobei CO2 und peroxidische Intermediate zu entstehen scheinen. Was die Theorie stützt: Im Falle von geträgerten Goldnanopartikeln hängen die erzielten Reaktionsgeschwindigkeiten stark von der Art des Trägermaterials ab. Besonders aktiv sind Goldnanopartikel auf Oxid-haltigen Trägern in feuchter Atmosphäre – das passt, denn auch dort treten Hydroxyl-Gruppen auf.
Mit Wasserstoffperoxid (H2O2) statt Sauerstoff als Oxidationsmittel läuft die Reaktion übrigens noch besser, vermutlich weil die Bindung zwischen den beiden Sauerstoffatomen hier leichter gespalten werden kann als im Sauerstoffmolekül.
Um diese Fragen zu beantworten, benötigt man einen Katalysator in "Reinform", der sich ohne seinen Träger untersuchen lässt. Keine leichte Aufgabe, doch das Team um James Dumesic hatte eine pfiffige Idee: Die Forscher von der University of Wisconsin nahmen eine hauchdünne Kunststoff-Membran aus Polycarbonat, die Poren mit Durchmessern von 220 Nanometer enthält. Nach einer speziellen Vorbehandlung der Oberfläche ließen sie Gold auf der Membran abscheiden. Da sich das Edelmetall auch an den Wänden der winzigen Poren ablagerte, entstanden so Nanoröhrchen aus purem Gold.
In einem anschließenden Ätzverfahren trugen die Chemiker die oberste Schicht der Polycarbonatmembran selektiv ab, sodass die Gold-Nanoröhrchen ein Stück herausragten. Diese Membran spannten die Wissenschaftler zwischen zwei Kammern ein; über die eine konnten Gase, über die andere Flüssigkeiten zugeführt werden. Und in der Tat: Die Gold-Nanoröhrchen katalysierten, ganz wie Goldnanopartikel, die Reaktion von CO und O2 zu CO2.
Systematische Untersuchungen der Reaktion brachten nun folgende Erkenntnisse: Die katalytische Aktivität wird durch die Anwesenheit von Wasser in den Röhrchen verstärkt und noch weiter angekurbelt, wenn dessen pH-Wert erhöht, die Flüssigkeit also alkalisch gemacht wird. Offenbar erleichtern Hydroxylgruppen (OH-) – die über basische Stoffe oder durch die Dissoziation von Wassermolekülen auf die Goldoberfläche gelangen – die Interaktion zwischen CO und O2, wobei CO2 und peroxidische Intermediate zu entstehen scheinen. Was die Theorie stützt: Im Falle von geträgerten Goldnanopartikeln hängen die erzielten Reaktionsgeschwindigkeiten stark von der Art des Trägermaterials ab. Besonders aktiv sind Goldnanopartikel auf Oxid-haltigen Trägern in feuchter Atmosphäre – das passt, denn auch dort treten Hydroxyl-Gruppen auf.
Mit Wasserstoffperoxid (H2O2) statt Sauerstoff als Oxidationsmittel läuft die Reaktion übrigens noch besser, vermutlich weil die Bindung zwischen den beiden Sauerstoffatomen hier leichter gespalten werden kann als im Sauerstoffmolekül.
© Angewandte Chemie
Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.