Ein Forschungsteam um Physiker Andreas Stierle, am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg, hat nun in solchen Platin-Rhodium-Katalysatoren eine überraschende Entdeckung gemacht, die die Katalyseforschung entscheidend voranbringen könnte. Bei Röntgenuntersuchungen stellte sich heraus, dass einige der Partikel nicht homogen aufgebaut sind, sondern eine Art zweigeteilte Struktur aufweisen – vergleichbar mit den Hälften eines Burgers. Zwar sind die beiden Hälften fest miteinander verbunden, doch wie genau diese Verbindung aussieht und welchen Einfluss sie auf die Katalyse hat, war bislang unklar.

Präzise Röntgenuntersuchung an der ESRF

Um dem Phänomen auf den Grund zu gehen, entwickelten die Forschenden ein spezielles Experiment an der Europäischen Synchrotronstrahlungsquelle ESRF in Grenoble. „Sie erzeugt einen extrem gebündelten Röntgenstrahl, mit dem sich einzelne Nanoteilchen untersuchen lassen“, erläutert Stierle. Eingesetzt wurde dabei die Methode der Bragg Coherent Diffraction Imaging (BCDI). Der erzeugte Röntgenstrahl erzeugt beim Durchdringen des Nanoteilchens ein Interferenzmuster, das analysiert wird.

„Anschließend lässt sich mit Hilfe spezieller Algorithmen rekonstruieren, wie die Atome im Kristallgitter angeordnet sind und an welchen Stellen es Abweichungen von der regulären Struktur gibt – Verzerrungen, Defekte und Versetzungen im Kristallgitter“, erklärt Ivan Vartanyants, der die Rekonstruktionen leitete.

Nano-Burger in Aktion

Besonders bemerkenswert: Die Analyse erfolgte in situ, also unter realen Reaktionsbedingungen. Ein Gasgemisch aus Kohlenmonoxid und Sauerstoff wurde über die Nanoteilchen geleitet, die Reaktion zu CO₂ konnte bei über 400 °C an der Partikeloberfläche stattfinden. „Das waren extrem schwierige Experimente, wir mussten die Position der Nanopartikel bis auf zehn Nanometer genau stabil halten, sodass der Röntgenstrahl stets den gesamten Partikel ausleuchten konnte“, berichtet Lydia Bachmann, Erstautorin der Studie. „Dazu mussten wir die Bedingungen absolut stabil halten.“

Das Resultat überraschte selbst die Experten: Genau an der Nahtstelle zwischen Ober- und Unterseite der Partikel – den „Burgerhälften“ – fanden sich ausgeprägte Kristalldefekte. Die Grenzflächen passen nicht exakt zueinander; an den Rändern fehlen Atome, was zu lokalen Verzerrungen im Gitter führt.

Defekte als funktionaler Vorteil

Diese Defekte haben, so unerwartet es klingt, eine ausgesprochen positive Wirkung auf die katalytischen Eigenschaften der Nanopartikel. „Die Defekte stellen einzigartige Absorptionsplätze für Moleküle dar“, erklärt Thomas Keller, Co-Autor der Studie. „An ihnen bleiben Moleküle wie Sauerstoff sehr gut haften, was die Wirkung des Katalysators erhöht.“

Die Erkenntnis legt nahe, dass gezieltes „Defekt-Engineering“ in Zukunft eine vielversprechende Strategie sein könnte, um die Effizienz von Katalysatoren zu steigern – etwa durch gezielte Gestaltung von Ankerpunkten für Reaktionsmoleküle auf der Oberfläche.

Nächste Schritte: Entstehung und Steuerung der Defekte

Das DESY-Team möchte in einem nächsten Schritt untersuchen, wie genau die Defekte entstehen. „Die Herstellung der Partikel erfolgt bei Temperaturen von 1000 Grad Celsius, und wir vermuten, dass sich die Defekte beim schnellen Abkühlen der Teilchen bilden“, so Stierle. „Weil die Partikel so klein sind, scheint in ihnen ein thermischer Stress zu entstehen, und der bringt die Stapelfolge der Kristallebenen dann durcheinander.“

Ein detailliertes Verständnis dieses Prozesses könnte helfen, die Partikel gezielt mit gewünschten Defekten herzustellen – ein möglicher Gamechanger für die Katalysatorentwicklung.

Ausblick: Analyse industrierelevanter Partikel mit PETRA IV

Langfristig könnten weitere Fortschritte durch die neue Röntgenlichtquelle PETRA IV erzielt werden, die derzeit bei DESY geplant wird. Diese wird Röntgenstrahlen mit noch höherer Auflösung liefern als bisher möglich.

„Die Nanoburger, die wir in Grenoble untersucht haben, waren etwa 100 Nanometer groß“, erläutert Stierle. „Die Katalysatorteilchen, die heute in der Industrie zum Einsatz kommen, messen in der Regel nur 10 bis 20 Nanometer. PETRA IV würde uns erlauben, künftig auch solche industrierelevanteren Partikel zu analysieren und dabei live zu verfolgen, wie sie funktionieren.“

Originalveröffentlichung:
Lydia Bachmann, Dmitry Lapkin, Jan-Christian Schober, Silvan Dolling, Young Yong Kim, Dameli Assalauova, Nastasia Mukharamova, Jagrati Dwivedi, Tobias Schülli, Thomas F. Keller, Ivan Vartanyants, Andreas Stierle, Coherent X-ray Diffraction Imaging of a Twinned PtRh Catalyst Nanoparticle under Operando Conditions, ACS Nano, 2025, DOI:10.1021/acsnano.4c15457

Quelle: DESY