Einzelatom-Katalysatoren: Effizienz auf atomarer Ebene

Bei Einzelatom-Katalysatoren trägt jedes einzelne Platinatom zur chemischen Reaktion bei. Sie sind in einem porösen Trägermaterial fixiert, das etwa aus Kohlenstoff mit eingelagerten Stickstoffatomen besteht. Diese Stickstoffatome dienen als Ankerpunkte für die Platinatome.

Ein Forschungsteam um Javier Pérez-Ramírez und Christophe Copéret vom Departement Chemie und Angewandte Biowissenschaften der ETH Zürich hat nun in Zusammenarbeit mit den Universitäten Lyon und Aarhus neue Erkenntnisse zur Struktur dieser Katalysatoren gewonnen – mithilfe der Kernspinresonanz (NMR). 

NMR liefert neue Einblicke

Die Forschenden konnten erstmals zeigen, dass die einzelnen Platinatome in solchen Katalysatoren nicht alle dieselbe Umgebung haben – vielmehr sind sie sehr unterschiedlich eingebettet. Diese Vielfalt der atomaren Nachbarschaften kann die katalytischen Eigenschaften beeinflussen – und war bisher kaum verstanden.

„Bislang konnte man einzelne Platinatome nur durch ein Elektronenmikroskop betrachten – das sieht zwar beeindruckend aus, aber über ihre Katalyseeigenschaften erfährt man dadurch nicht viel", erklärt Pérez-Ramírez. Die Idee, NMR zur genaueren Untersuchung einzusetzen, entstand zufällig bei einem Zoom-Meeting im Rahmen des NCCR-Programms Catalysis. Gemeinsam mit Copéret entwickelte Pérez-Ramírez das Konzept weiter.

Wie ein Orchester voller Töne

Die NMR-Technik basiert auf der Reaktion von Spins der Atomkerne in einem statischen Magnetfeld. Dabei hängt die Resonanzfrequenz – ähnlich wie bei Molekülen – von der Anordnung und Art der benachbarten Atome ab. „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", sagt Copéret.

Diese Vielzahl an Resonanzen ist vergleichbar mit den unterschiedlichen Tönen eines Orchesters – nur ist es nicht leicht, den Ursprung jedes einzelnen Tons zu bestimmen. Ein glücklicher Zufall half dem Team weiter: „Der Zufall wollte es, dass einer von uns bei einem Besuch in Lyon einen Simulationsexperten aus Aarhus traf", erzählt Copéret. Diese Zusammenarbeit führte zur Entwicklung eines Computerprogramms, das die Vielzahl der Signale entschlüsseln kann.

Eine atomare Landkarte entsteht

Mit dieser Methode konnte das Forschungsteam eine Art atomare „Landkarte“ erstellen: Sie zeigt, welche Atome die Platinzentren umgeben und wie sie räumlich ausgerichtet sind. „Dieses Analyseverfahren setzt einen neuen Massstab im Forschungsfeld", so Pérez-Ramírez.

Ziel ist es nun, Herstellungsverfahren für Einzelatom-Katalysatoren so zu optimieren, dass alle Platinatome eine genau definierte, ideale Umgebung erhalten. Auch für Patente könnte das relevant werden. „Wenn wir einen Katalysator auf atomarer Ebene genau beschreiben können, dann können wir ihn auch durch ein Patent schützen", betont Copéret.

Originalpublikation:
Koppe, J., Yakimov, A. V., Gioffrè, D., et al. (2025). Coordination environments of Pt single-atom catalysts from NMR signatures. Nature, 642, 613–619. DOI:10.1038/s41586-025-09068-x

Quelle: ETH Zürich