Eine Landkarte für Einzelatom-Katalysatoren
ETH-Forschende haben mithilfe von Kernspinresonanz die atomaren Umgebungen einzelner Platinatome in einem festen Trägermaterial sowie deren räumliche Ausrichtung untersucht. Die Methode kann in Zukunft helfen, die Herstellung von Einzelatom-Katalysatoren zu optimieren.
Die Katalyse, also die Beschleunigung einer chemischen Reaktion durch Zugabe eines bestimmten Stoffes, ist sowohl in der Industrie als auch im Alltag enorm wichtig. Etwa 80 Prozent aller chemischen Produkte werden mithilfe von Katalyse hergestellt. Auch Abgaskatalysatoren oder Brennstoffzellen beruhen auf diesem Wirkprinzip. Ein besonders effektiver und vielseitiger Katalysator ist Platin. Da Platin aber ein sehr seltenes und teures Edelmetall ist, dessen Gewinnung zudem viel CO2-Ausstoss verursacht, ist es wichtig, möglichst wenig davon einzusetzen und zugleich seine Effizienz zu maximieren.
Katalysatoren mit einzelnen Atomen
In den letzten Jahren hat man deshalb zunehmend versucht, so genannte Einzelatom-Katalysatoren zu entwickeln, in denen jedes Atom zur chemischen Reaktion beiträgt. Dabei werden in einem porösen Trägermaterial, zum Beispiel aus mit Stickstoffatomen durchsetztem Kohlenstoff, einzelne Platinatome auf die Oberfläche aufgebracht. Die Stickstoffatome fungieren dabei als Ankerpunkte, an denen die Platinatome andocken können.
Forschende um Javier Pérez-Ramírez und Christophe Copéret am Departement Chemie und Angewandte Biowissenschaften der ETH Zürich haben nun gemeinsam mit Kollegen der Universitäten in Lyon und Aarhus gezeigt, dass solche Einzelatom-Katalysatoren wesentlich komplexer sind als bisher angenommen. Mithilfe von Kernspinresonanz konnten sie nachweisen, dass die einzelnen Platinatome in einem solchen Katalysator sehr unterschiedliche atomare Umgebungen haben, die ihre Katalysewirkung beeinflussen können. Diese Entdeckung wird es in Zukunft erlauben, effizientere Katalysatormaterialien herzustellen. Ihre Ergebnisse haben die Forschenden kürzlich im Fachjournal externe SeiteNature veröffentlicht.
Durchbruch durch zufällige Begegnungen
«Bislang konnte man einzelne Platinatome nur durch ein Elektronenmikroskop betrachten – das sieht zwar beeindruckend aus, aber über ihre Katalyseeigenschaften erfährt man dadurch nicht viel», sagt Pérez-Ramírez. Gemeinsam mit Copéret überlegte er, wie man die einzelnen Platinatome genauer charakterisieren könnte. Die Zusammenarbeit war durch eine zufällige Begegnung bei einem Zoom-Meeting im Rahmen des NCCR-Programms Catalysis entstanden.
Im Anschluss an das Meeting entwickelten die beiden Forscher die Idee, es mit Kernspinresonanz zu versuchen. Bei dieser Methode, auf der auch das MRT im Krankenhaus beruht und die normalerweise in Labors zur Untersuchung von Molekülen benutzt wird, reagieren die Spins der Atomkerne in einem starken statischen Magnetfeld auf oszillierende Magnetfelder mit einer bestimmten Resonanzfrequenz.
Bei Molekülen hängt diese Resonanzfrequenz unter anderem davon ab, wie die verschiedenen Atome im Molekül angeordnet sind. «Auch bei den einzelnen Platinatomen wird die Resonanzfrequenz durch die atomaren Nachbarn – zum Beispiel Kohlenstoff, Stickstoff oder Sauerstoff – beeinflusst und zusätzlich durch ihre Ausrichtung relativ zum statischen Magnetfeld», erklärt Copéret.
Das führt zu einer Vielzahl von Resonanzfrequenzen, vergleichbar mit den verschiedenen Tönen in einem Orchester. Herauszufinden, welches Instrument welchen Ton erzeugt, ist dabei nicht einfach. «Der Zufall wollte es, dass einer von uns bei einem Besuch in Lyon einen Simulationsexperten aus Aarhus traf», erzählt Copéret. Solche Begegnungen und die daraus entstehenden Kooperationen seien essenziell für wissenschaftlichen Fortschritt. Der Simulationsexperte entwickelte gemeinsam mit dem ETH-Forscher ein Computerprogramm, mit dessen Hilfe die vielen verschiedenen «Töne» der einzelnen Platinatome aus dem Durcheinander herausgefiltert werden können.
Landkarte der atomaren Umgebung
So gelang es schliesslich, Einzelatom-Katalysatoren zu beschreiben: Das Forschungsteam konnte nun eine Art Landkarte erstellen, auf sichtbar ist, welche Atome die Platinatome umgeben und wo sie sich befinden. «Dieses Analyseverfahren setzt einen neuen Massstab im Forschungsfeld», sagt Pérez-Ramírez.
Mit dem neuen, leicht zugänglichen Verfahren können in Zukunft Herstellungsverfahren für Einzelatom-Katalysatoren so optimiert werden, dass am Ende alle Platinatome genau festgelegte Umgebungen haben. Das ist denn auch die nächste Herausforderung für das Team. «Auch im Hinblick auf geistiges Eigentum ist unsere Methode wichtig», sagt Copéret: «Wenn wir einen Katalysator auf atomarer Ebene genau beschreiben können, dann können wir ihn auch durch ein Patent schützen.»
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Prof. Dr. Javier Pérez-Ramírez
Ordentlicher Professor am Departement Chemie und Angewandte Biowissenschaften
jpr@chem.ethz.ch
Prof. Dr. Christophe Copéret
Full Professor at the Department of Chemistry and Applied Biosciences
ccoperet@inorg.chem.ethz.ch
Originalpublikation:
Koppe J, Yakimov AV, Gioffrè D et al. Coordination environments of Pt single-atom catalysts from NMR signatures. Nature 642, 613–619 (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09068-x
Weitere Informationen:
https://ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2025/07/eine-landkarte-fuer-einzelatom-katalysatoren.html
Die semantisch ähnlichsten Pressemitteilungen im idw
