Zweidimensionale Nanopartikel mit großem katalytischem Potenzial

Wasserstoff gilt als umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen fossilen Brennstoffen. Für seine katalytische Herstellung, etwa durch elektrolytische Wasserspaltung, werden bisher teure und seltene Substanzen wie Platin benötigt. Besser verfügbare Katalysatoren könnten in Zukunft die Produktion großer Mengen ermöglichen.

Die Forschungsteams von Helmut Cölfen (Physikalische Chemie) und Peter Nielaba (Statistische und Computational Physics) der Universität Konstanz haben gemeinsam mit Forschern der Ocean University of China eine allgemeine Methode entwickelt, um zweidimensionale Nanopartikel aus leicht zugänglichen Materialien herzustellen. Qingdao (China) und dem Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Berlin (Deutschland).

Zweidimensionale Nanopartikel haben ein hohes katalytisches Potenzial, weshalb sich dieser Syntheseweg zur Herstellung besonders aktiver Katalysatoren eignet.

Der entsprechende Syntheseprozess wird in einer einfachen wässrigen Lösung durchgeführt. Es sind keine giftigen Zusätze oder besonders hohe Temperaturen, die energetisch ungünstig sind, erforderlich. Der Prozess wird durch einfache Variation der Konzentration der Komponenten und durch Temperaturregelung gesteuert. Dem Forscherteam gelang es, mit dieser jetzt erstmals in der Fachzeitschrift beschriebenen Methode mehr als 30 verschiedene Verbindungen in zweidimensionale Formen zu bringen Natursynthese.

Der Vorteil von zweidimensionalen Nanopartikeln

Zweidimensionale (2D) Nanopartikel haben besonders viele Oberflächenatome, die andere Eigenschaften haben als Atome innerhalb eines Partikels. Die Bindungen der Oberflächenatome sind ungesättigt, weil der Oberfläche die unmittelbaren Nachbaratome fehlen, zu denen Bindungen innerhalb des Partikels gebildet werden. Dies führt zu Oberflächen- oder Grenzflächenspannungen. Da dieser ungesättigte Zustand für das Gesamtsystem ziemlich energieaufwändig ist, versuchen Nanopartikel, sich zusammenzuballen, um die Bindungen zu sättigen und die Oberfläche zu minimieren.

Bleiben die Oberflächenbindungen jedoch ungesättigt, führt dies zu einer erhöhten chemischen Reaktivität. Bei zweidimensionalen Nanopartikeln ist die Zahl der ungesättigten Bindungen besonders hoch, da sie nicht nur oben und unten, sondern auch an den Seiten und Kanten ungesättigte Bindungen aufweisen. Das macht sie besonders interessant für die Katalyse, die in der Chemie eine große Rolle spielt. Allerdings sind die benötigten Nanokristalle aufgrund des ungünstigen Energiezustands an der Oberfläche nur schwer herzustellen.

Zweidimensionale Nanopartikel sind anisotrop und ihre Eigenschaften hängen von der Orientierung ihrer Bausteine ​​ab. Das Kristallgitter der Partikel ist entscheidend für deren Wachstumsrichtung. Besitzen die Nanopartikel ein geschichtetes Kristallgitter wie in Ton, wachsen die Partikel zweidimensional. Für die Katalyse günstige Materialien nehmen jedoch selten die zweidimensionale Form von alleine an.

Wenn das Kristallgitter vorschreibt, dass der Kristall entlang zweier Kristallachsen schnell wächst, können zweidimensionale Nanopartikel leicht synthetisiert werden. Dann werden nur noch wenige molekulare Bausteine ​​in der Lösung benötigt, um die Nanopartikel zweidimensional wachsen zu lassen. Wachsen die Kristalle in andere Richtungen genauso schnell oder nur geringfügig langsamer, nehmen die Kristalle eine dreidimensionale Form an.

Wie Nanopartikel zweidimensional wachsen

Das Forscherteam hat herausgefunden, wie sich die Konzentration molekularer Bausteine ​​in der Lösung nutzen lässt, um diesen Prozess zu manipulieren: Wird die Konzentration der Bausteine ​​erhöht, kommt das Prinzip „Was schnell wächst, verbraucht auch mehr Material“ zum Tragen: Der Abstand zwischen der schnell wachsenden und der langsam wachsenden Kristallachse zunimmt, was zu zweidimensionalen Partikeln führt.

Die Methode der Erhöhung der Bausteinkonzentration funktioniert nicht, wenn die Wachstumsrate entlang verschiedener relevanter Kristallachsen annähernd gleich ist. In diesem Fall verwenden die Forscher einen anderen Parameter. Die Wachstumsrate von Kristalloberflächen hängt exponentiell von der Temperatur ab. Wenn die Temperatur der Lösung auch nur um wenige Grad geändert wird, wird der Unterschied in der Wachstumsrate zwischen den langsam und schnell wachsenden Kristallflächen größer. Dadurch wachsen die Nanopartikel in zwei Dimensionen.

Methode funktioniert für über 30 Elemente des Periodensystems

Dieses allgemeine Verfahren funktioniert für viele Materialien. Im Periodensystem konnte das deutsch-chinesische Forscherteam in vielen Gruppen Metalle identifizieren, insgesamt mehr als 30, die zweidimensional als Oxide oder Hydroxide vorliegen, aber auch Säuren, Sulfide, Oxychloride und Phosphate. Der Vorteil dieses erstmals beschriebenen generellen Ansatzes: Die Materialien werden in den meisten Fällen bei Raumtemperatur in Wasser hergestellt – ohne giftige Lösungsmittel oder hohe Temperaturen.

Darüber hinaus ist die Ausbeute an katalytischen Materialien hochgradig skalierbar. Im Labor arbeiten die Forscher im Multigramm-Maßstab. Um Katalysatoren in großen Mengen aus leicht zugänglichen Stoffen herzustellen, bedarf es lediglich eines verschlossenen Gefäßes – statt spezieller Apparaturen wie Druckbehälter.

Experimente bestätigen die Theorie

Die experimentelle Studie zeigt auch, wie theoretisches Wissen in die Praxis umgesetzt werden kann. Die Experimente bestätigen theoretische Simulationen, die das Team von Peter Nielaba in einem gemeinsamen Projekt mit dem Cölfener Team im Sonderforschungsbereich 1214 „Anisotrope Partikel als Bausteine: Tailoring Shape, Interactions and Structures“ an der Universität Konstanz durchgeführt hat.

Schwankungen in der Konzentration der Komponenten und der Temperatur hatte der Physiker bereits berücksichtigt. „Die Berechnungen und das, was wir experimentell gefunden haben, stimmen vollkommen überein“, folgert Helmut Cölfen.

Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Natursynthese.