Platin-Katalysatoren wandeln Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid bei Temperaturen um, bei denen sich nach gängiger Sichtweise noch gar kein Effekt zeigen dürfte. Wiener Forscher fanden nun mit Hilfe von Mikroskopaufnahmen und Computersimulationen eine Erklärung für die eigentlich unmögliche Reaktion: Sowohl der Katalysator als auch das Trägermaterial müssen dafür kurze Zeit metastabile Zustände annehmen
Katalysatoren ermöglichen bzw. beschleunigen chemische Reaktionen. An der TU Wien untersucht die Forschungsgruppe von Gareth Parkinson vom Institut für Angewandte Physik die kleinstmöglichen Katalysatoren: einzelne Platin-Atome, die auf einer Eisenoxid-Oberfläche platziert werden. Kommen sie in Kontakt mit Gas, das Kohlenmonoxid enthält, wird dieses zu Kohlendioxid oxidiert – und zwar ab ungefähr 277 Grad Celsius, wie sich in Experimenten zeigte.
Metastabile Zustände
Dieser Temperaturwert stellte die Fachleute allerdings vor Probleme, denn er stimmt nicht mit ihren Computersimulationen überein. Laut der für solche Berechnungen verwendeten Dichtefunktionaltheorie sollte der Prozess erst bei rund 527 Grad Celsius stattfinden. „Wir wussten also: Irgendetwas Wichtiges hatte man hier bisher übersehen“, so Studienautor Matthias Meier in einer Aussendung der TU Wien.
Mithilfe hochauflösender Bilder aus dem Rastertunnelmikroskop, auf denen man die Bewegung einzelner Atome studieren kann, und Computersimulationen, zeigten die Forscher nun, dass sogenannte „metastabile Zustände“ eine entscheidende Rolle spielen. Üblicherweise sind die Platin-Atome und die Eisenoxid-Oberfläche im stabilen Zustand der niedrigsten Energie (Grundzustand). Wechselt das System in den metastabilen Zustand, kehrt es nach kurzer Zeit unweigerlich wieder in den Grundzustand zurück.
Die kurze Zeit im metastabilen Zustand reicht aber aus, damit der Katalysator Kohlenmonoxid umwandeln kann. „Wenn wir diese bisher nicht berücksichtigen Kurzzeit-Zustände in unsere Computersimulation mit einbauen, dann kommen wir genau auf das Ergebnis, das auch im Experiment gemessen wurde“, so Meier. Über die Experimente berichten die Forscherinnen und Forscher im Fachjournal „Science Advances“.