Nanowissenschaftler der Universität Utrecht haben einen neuen und vielversprechenden Weg zur Herstellung von Katalysatoren entwickelt, bei dem die benötigte Menge an Edelmetallen um den Faktor 10 reduziert wird. Diese Edelmetalle sind knapp, aber für viele bestehende und zukünftige nachhaltige chemische Prozesse unerlässlich. Die Publikation erschien am 8. Juli in Wissenschaft.
Edelmetalle wie Platin sind in der Industrie und im täglichen Leben weit verbreitet. Die bekannteste Anwendung ist derzeit der Abgaskatalysator von Autos zur Reinigung der Verbrennungsgase des Motors. Aber auch für eine nachhaltigere Gesellschaft werden in Zukunft Edelmetalle benötigt, zum Beispiel für die Produktion und den Verbrauch von Wasserstoff, einem wichtigen Energieträger der Zukunft.
Aber die Menge an Edelmetallen auf der Welt ist sehr begrenzt, daher ist es eine große Herausforderung, die benötigten Mengen zu reduzieren. Ph.D. Forscher Luc Smulders vom Debye Institute for Nanomaterials Science an der Universität Utrecht sagt, dass „der Weltvorrat an Platin auf 70.000 Tonnen geschätzt wird, das sind etwa 10 Gramm pro Welteinwohner.“ Eine Brennstoffzelle in einem Auto, um aus Wasserstoff Strom zu erzeugen der Elektromotor, benötigt bereits etwa 10 Gramm Platin. Das gibt ein Gefühl dafür, Platin so effektiv wie möglich einzusetzen.“
Präzises Auftragen von Platin auf Zeolith
Zusammen mit einem ehemaligen Postdoktoranden am selben Institut, Kang Cheng, untersuchte Smulders unter der Leitung des emeritierten Professors Krijn de Jong, wie Platin möglichst effektiv in Katalysatoren eingesetzt werden kann. De Jong sagt, dass „die Katalysatoren in dieser Studie zwei aktive Funktionen enthalten, nämlich ein Metall – Platin – und eine Säurefunktion – einen Zeolith. Klassischerweise wird das Edelmetall eingespart, indem die Platinpartikel so klein wie möglich gemacht werden. Solch kleine Partikel, auch Nanopartikel genannt, haben ein größeres Verhältnis von Oberfläche pro Volumeneinheit.“
Die Utrechter Chemiker sind nun einen ganz anderen Weg gegangen. Mithilfe spezieller Synthesetechniken positionierten sie die Platinpartikel präzise in Bezug auf andere aktive Materialien, die im Katalysator vorhanden sind. Smulders sagt: „Normalerweise sind die Nanopartikel in Katalysatoren zufällig über das Material verteilt. Wir haben herausgefunden, dass die katalytische Wirkung von Platin genauso gut ist – und viel weniger davon benötigt wird –, wenn es nur auf die Oberfläche der Zeolithkristalle aufgetragen wird, statt innerhalb oder neben dem Zeolith.“
Im industriellen Maßstab innerhalb von zwei Jahren
„Dies bedeutet, dass nur ein Zehntel der Platinmenge benötigt wird, ohne die Leistung des Katalysators zu beeinträchtigen“, sagt De Jong. Die Arbeit ist daher ein Durchbruch für die um ein Vielfaches effizientere Nutzung von Edelmetallen in Katalysatoren und möglicherweise auch in anderen Anwendungen, die für das Erreichen einer nachhaltigeren Gesellschaft unerlässlich sind. Die Forscher erwarten, dass die Technik innerhalb von ein bis zwei Jahren in bestehenden Prozessen im industriellen Maßstab eingesetzt werden kann.
Kang Cheng et al, Maximierung der Edelmetallnutzung in festen Katalysatoren durch Kontrolle der Nanopartikelposition, Wissenschaft (2022). DOI: 10.1126/science.abn8289