Herstellung von porösen Metalloxid/Metall-Nanokompositmaterialien aus der Gasphase und deren Anwendung in Katalyse und Sensorik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Zuge des globalen Bevölkerungswachstums und der Fortentwicklung von Gesellschaft und Wirtschaft ist eines der drängendsten aktuellen Probleme, mit den zur Verfügung stehenden Ressourcen nachhaltig umzugehen und sie effektiv einzusetzen. Die heterogene Katalyse ist dadurch, dass durch Sie Energiekosten bei der Herstellung von Grundchemikalien eingespart, per se eine nachhaltige Technologie. Jedoch werden bei vielen heterogen-katalysierten Reaktionen Edelmetalle eingesetzt, deren Verfügbarkeit letztlich sehr begrenzt ist. Daher stellt sich die wichtige Frage der Atomökonomie bei Edelmetallkatalysatoren, bzw. welcher Anteil der Atome tatsächlich zur katalytischen Reaktion beiträgt. Wie stark kann die Anzahl der Atome verringert werden und wie kann eine spezielle Nanostruktur des Trägermaterials dabei helfen, auf das der Katalysator aufgebracht wird. Dies sind die zentralen Fragen des Projekts, über das hier berichtet wurde. In kommerziellen Katalysatoren kommen meist Metallpartikel im Größenbereich zwischen 5 - 10 Nanometern zum Einsatz. Sie lassen sich leicht herstellen und sind langzeitstabil. In den Forschungslaboren ist vor rund zehn Jahren entdeckt worden, dass sehr viel kleinere Teilchen sehr viel aktiver sind. Sie können selbst mit den besten Elektronenmikroskopen nur mit Mühe entdeckt werden. Sie bestehen nur aus wenigen Atomen. Diese Entdeckung führte zur Entwicklung des neuen Forschungsgebiets der Nanokatalyse. Experimente in diesem Bereich sind sehr schwierig. Die Teilchen sind hochreaktiv und können nur unter großen Aufwand auf einem Trägermaterial fixiert werden. Nur Teilchen aus einer genau bestimmten Anzahl von Atomen sind aktiv. Im hier durchgeführten Projekt wurde in einer Zusammenarbeit zweier Arbeitsgruppen der Universität Konstanz derartige maßgeschneiderte Nanokatalysatoren hergestellt. Das besondere hierbei ist, dass sowohl für die Herstellung der Trägermaterialien (Zinkoxid und Titandioxid) als auch für die Deposition der Metallcluster Gasphasenmethoden verwendet wurden, wodurch die Oberflächen der Materialien nicht mit störenden Schichten belegt sind. Es wurden spezielle Trägermaterialien aus ZnO und TiO2 synthetisiert und es konnte gezeigt werden, dass die Nanostruktur massive Auswirkungen auf Eigenschaften und Anwendungen z.B. im Bereich der chemischen Sensorik hat. Von den Metall/Metalloxid Katalysatormaterialien konnten bisher sehr kleine Mengen erzeugt werden und entsprechend schwierig war es, die katalytische Aktivität zu vermessen. Der Aufwand hat sich allerdings gelohnt, und die bisherigen Ergebnisse sind eindrucksvoll: Teilchen aus 4, 7 und 9 Goldatomen zeigen eine Aktivität, die rund fünfzigmal höher liegt als die kommerzieller Katalysatoren. Teilchen aus 8 Goldatomen sind dagegen relativ inaktiv. Diese Ergebnisse machen die Metallcluster für mögliche Anwendungen in der industriellen Stoffsynthese interessant. Allerding gibt es ein Problem. Die Subnano-Teilchen sind hochgradig empfindlich. Sie überstehen die harschen Bedingungen in einem industriellen Syntheseprozess bisher nicht. Neben der Herstellung großer Mengen der Teilchen muss also noch das Problem der Stabilisierung der Teilchen gelöst werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Gas phase synthesis of titania with aerogel character and its application as a support in oxidation catalysis. J. Mater. Chem. 20, 10032-10040
Dilger, S., Hintze, C., Krumm, M., Lizandara-Pueyo, C., Deeb, S., Proch, S. & Polarz, S.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1039/c0jm00769b) - Hierarchical Zinc Oxide Materials with Multiple Porosity Prepared by Ultrafast Temperature Gradient Chemical Gas-Phase Synthesis. Adv. Mater. 24
Dilger, S., Lizandara-Pueyo, C., Krumm, M. & Polarz, S.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/adma.201103557) - A new nanomaterial synthesized from size-selected, ligand-free metal clusters. J. Appl. Phys. 115, 4
Li, X., Wepasnick, K., Tang, X., Fairbrother, D. H., Bowen, K. H., Dollinger, A., Strobel, C. H., Huber, J., Mangler, T., Luo, Y., Proch, S. & Gantefoer, G.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4868468) - Nanoarchitecture Effects on Persistent Room Temperature Photoconductivity and Thermal Conductivity in Ceramic Semiconductors: Mesoporous, Yolk-Shell, and Hollow ZnO Spheres. Cryst. Growth Des. 14, 4593- 4601
Dilger, S., Wessig, M., Wagner, M. R., Reparaz, J. S., Torres, C. M. S., Liang, Q. J., Dekorsy, T. & Polarz, S.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/cg500680g) - Parallel deposition of size-selected clusters: a novel technique for studying size-selectivity on the atomic scale. Phys. Chem. Chem. Phys. 16, 9233-9237
Luo, Y., Seo, H. O., Beck, M., Proch, S., Kim, Y. D. & Gantefor, G.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c4cp00931b) - Size-selected gold clusters on porous titania as the most "gold-efficient'' heterogeneous catalysts. Phys. Chem. Chem. Phys. 16, 11017-11023
Dollinger, A., Stolch, L., Luo, Y., Beck, M., Strobel, C. H., Hagner, M., Dilger, S., Bein, M., Polarz, S., Gantefoer, G. F., Kim, Y. D. & Proch, S.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c4cp00597j) - Very small "window of opportunity" for generating CO oxidation-active Au-n on TiO2. Phys. Chem. Chem. Phys. 16, 6735-6742
Tang, X., Schneider, J., Dollinger, A., Luo, Y., Worz, A. S., Judai, K., Abbet, S., Kim, Y. D., Gantefor, G. F., Fairbrother, D. H., Heiz, U., Bowen, K. H. & Proch, S.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c4cp00160e)
