Wasser kann winzige Goldkügelchen in bessere Katalysatoren für chemische Reaktionen verwandeln. In auf den Gesetzen der Quantenmechanik beruhenden Computersimulationen haben die Forscher vom Georgia Institute of Technology so die Oxidation von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid an mit Wasser bestückten Goldnanostrukturen untersucht. Ihre Studie könnte zur Entwicklung von einfacheren und somit kostengünstigeren Reaktionsprozessen für die chemische Industrie führen.
Da Katalysatoren ? Stoffe, die die zum Ablauf einer chemischen Reaktion nötige Aktivierungsenergie herabsetzen ?, in der Regel beim Kontakt mit Wasser zerstört werden, müssen viele chemische Reaktionen bei hohen Temperaturen durchgeführt werden. Angelo Bongiorno und Uzi Landman aus Atlanta haben nun allerdings entdeckt, dass Wassermoleküle die katalytische Oxidation von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid an Goldkügelchen auch beschleunigen können.
Landman glaubt, dass seine Studie zur Entwicklung von völlig neuen katalytischen Reaktionswegen führen wird, die polare Moleküle wie Wasser als zentrale Elemente einsetzen. Dies könnte beträchtliche Einsparungen für eine Reihe von industriell relevanten Reaktionsabläufen mit sich bringen, glauben die Forscher.
In ihren Computersimulationen untersuchte das Forscherpaar einen aus acht zu einem Cluster gebundenen Goldatomen bestehenden Katalysator, der an eine Magnesiumoxidschicht gebunden war. Wie schon seit längerem bekannt ist, kann eine derartige Struktur die Oxidation von Kohlenmonoxid beschleunigen.
Die Forscher testeten in ihrer Studie nun, wie sich die Dynamik dieser Oxidation verändert, wenn ein Wassermolekül mit seinem negativ geladenen Sauerstoffatom an den Goldcluster bindet. Dies führt dazu, dass sich ein Sauerstoffmolekül aus der Umgebung ebenfalls an den gleichen Cluster anlagert und dabei negativ aufgeladen wird.
Dieses Molekül zieht nun aufgrund seiner Ladung eines der leicht positiv geladenen Wasserstoffatome des Wassermoleküls an, so dass sich ein instabiler Verbund aus zwei Sauerstoffatomen und einem Wasserstoffatom auf dem Cluster bildet. Wenn diese Verbindung mit einem Kohlenmonoxidmolekül zusammentrifft, so wird dieses zu Kohlendioxid oxidiert und damit die katalytische Wirkung des Clusters verbessert.
Physical Review Letters (Band 95 Artikel 106102) Stefan Maier
