Ohne Katalysatoren geht in der Chemie kaum etwas. Viele Reaktionen starten erst in Anwesenheit einer solchen Substanz, die die Energiebarriere für die Entstehung oder Spaltung von atomaren Bindungen senkt. Dadurch erhöhen Katalysatoren das Tempo und die Effizienz von chemischen Reaktionen. In der Industrie kommen häufig Edelmetalle wie Silber, Platin, Palladium oder andere metallische Elemente in Form von Nanopartikeln zum Einsatz. Wie gut diese Metall-Katalysatoren wirken, hängt allerdings auch vom Untergrund ab, auf dem sie platziert werden. Nanopartikel auf einer Kohlenstoff-Unterlage scheinen besonders gut zu funktionieren, wie Chemiker seit langem beobachten. Obwohl die Herkunft des Kohlenstoffs theoretisch egal sein sollte, nutzen Chemiker für manche Prozesse gezielt Kohlenstoff, der aus Kokosnussschalen, -fasern oder speziellen Hölzern gewonnen wurde.
„Der Einsatz von Kohlenstoff als Trägermaterial für die Katalyse hatte lange Zeit fast etwas Magisches“, sagt Seniorautor Günther Rupprechter von der Technischen Universität (TU) Wien. „Es erschien immer ein bisschen wie schwarze Kunst.“ Denn warum für Metalle eine Kohlenstoff-Grundlage bestimmter Herkunft so wichtig ist, war bisher unbekannt. „In der chemischen Industrie gibt man sich oft damit zufrieden, dass ein Prozess funktioniert und man ihn zuverlässig wiederholen kann“, sagt Rupprechter. „Wir wollten der Sache aber auf den Grund gehen und auf atomarer Ebene genau verstehen, was hier eigentlich vor sich geht.“ Vielleicht ordnet sich der Kohlenstoff in Kombination mit den Metallen auf unterschiedliche Weise an? Vielleicht enthält er Spuren anderer chemischer Elemente oder kleine molekulare Bausteine, die in die chemische Reaktion eingreifen?
200-mal aktiver dank Kohlenstoff-Basis
Diesen Fragen ist das Team um Rupprechter und Erstautor Thomas Wicht von der TU Wien nachgegangen. Die Chemiker stellten dafür zunächst zwei Vergleichsproben her: Silber-Nanopartikel (Ag) bekannter Größe auf einem Kohlenstoff-Untergrund (C) und eine dünne Silberfolie ohne Kohlenstoff-Basis. Beide Materialien verwendeten sie anschließend als Katalysatoren in einer chemischen Reaktion: „Silber kann eingesetzt werden, um Wasserstoff-Moleküle in einzelne Wasserstoff-Atome zu zerlegen“, erklärt Wicht. Die Forscher mischten dabei „gewöhnliche“ Wasserstoffmoleküle (H2) mit Molekülen aus schwerem Wasserstoff, sogenanntem Deuterium (D2). Mithilfe des Silbers wurden dann die Atome beider Moleküle zerlegt und neu kombiniert. Wie häufig es dabei zum Austausch der beiden Wasserstoff-Isotope kommt (HD), gibt Auskunft über die Aktivität des Silber-Katalysators. Mit diesem Aufbau verglichen die Chemiker also die katalytische Aktivität von Silberatomen mit und ohne Kohlenstoffträger.
Mit spektakulärem Ergebnis: Silberatome auf einem Kohlenstoffträger stellten sich als zweihundertmal aktiver heraus als reine Silberatome. „Pro Silberatom erreicht man durch den Kohlenstoff-Untergrund eine zweihundertfach höhere Aktivität“, sagt Wicht. „Das ist natürlich für industrielle Anwendungen sehr wichtig. Man braucht nur ein Zweihundertstel der Menge an teuren Edelmetallen, um dieselbe Wirkung zu erzielen – und das einfach, indem man vergleichsweise kostengünstigen Kohlenstoff dazu nimmt.“ Ähnliches gilt auch für Kupfer als Metall-Katalysator, nicht jedoch für Gold, wie Folgetests ergaben. Darüber hinaus stellten sich diese Metall-Kohlenstoff-Kombis als die stabileren Katalysatoren heraus als reine Metalle.
