Winzige Cluster aus 55 Goldatomen eignen sich für katalytische Prozesse, obwohl Festkörper aus Gold chemisch inert sind

Cambridge (Großbritannien) - Platin, Paladium oder Silber: Diese Edelmetalle eignen sich sehr gut als Katalysatoren. Für das wohl schönste Edelmetall, Gold, gilt das bisher nicht. Doch das ändert sich radikal mit der Größe der Goldpartikel: Britische Wissenschaftler zeigten nun, dass stabile Goldcluster aus nur 55 Atomen das organische Lösungsmittel Styrol in einer katalytischen Reaktion oxidieren können. Über ihre Ergebnisse und die Suche nach den Gründen für die Aktivität von Goldclustern berichten sie in der Zeitschrift "Nature".

"Die katalytische Aktivität rührt wahrscheinlich von der veränderten elektronischen Struktur der Goldcluster her", schreiben Mark Turner und seine Kollegen vom Department of Chemistry der University of Cambridge. Für ihre Versuche verdampften die Forscher Gold und ließen die Atome zu den winzigen Nanopartikeln kondensieren. Größenselektiv deponierten sie Gold-55-Cluster auf chemisch inaktive Flächen aus Bornitrid, Siliziumdioxid oder Kohlenstoff. Mit einem hochauflösenden Elektronenmikroskop bestimmten sie Größe und Verteilung der deponierten Cluster.

Turner und Kollegen verwendeten darauf die so präparierte Oberfläche für Katalysereaktionen. Styrol ließ sich mit dem Goldcluster-Katalysator effektiv in der Gegenwart von molekularem Sauerstoff oxidieren. Verantwortlich dafür ist die Aktivierung des Sauerstoffs an den Goldclustern durch die Aufspaltung zu einzelnen Sauerstoffatomen. Diese konnten dann mit den Styrol-Molekülen reagieren. Es entstanden die Substanzen Benzaldehyd, Styroloxid und Acetophenon.

Kleinere Teilchen gleich größere aktive Oberfläche - diese einfache, sonst oft gültige Erklärung, dass allein eine vergrößerte Oberfläche der Nanopartikel im Vergleich zum großen Festkörper für diesen Effekt verantwortlich sein könnte, reicht allerdings nicht mehr aus. Denn Vergleichsmessungen mit nur wenig größeren Goldclustern - 2 Nanometer statt 1,4 Nanometer im Durchmesser - zeigten nicht die geringste katalytische Aktivität. Auch einen Einfluss der Unterlage, der bereits bei früheren Experimenten mit Goldpartikeln auf Titandioxid gezeigt wurde, können die Forscher durch ihre Materialwahl ausschließen.

Den Grund für die einsetzende Katalyse-Aktivität sehen Turner und Kollegen daher in der veränderten elektronischen Struktur der Gold-55-Cluster. Denn im Unterschied zum Goldfestkörper ordnen sich die Atome nicht in einer kubisch-flächenzentrierten Kristallstruktur, sondern in einer ungewöhnlichen 5-zähligen Symmetrie an. Die Zahl 55 ist dabei kein Zufall, da so viele Atome für den Aufbau eines "magischen", stabilen Clusters nötig sind. Atome im Gold-55 Cluster haben dabei weniger nächste Nachbarn als im Festkörper und die elektronischen Eigenschaften verändern sich maßgeblich. So die Theorie.

Zur Überprüfung dieser Annahme führten die Wissenschaftler spektroskopische Messungen mit Photoelektronen an den inneren Elektronenbahnen von Gold durch. Im Vergleich zu Goldfestkörpern verschiebt sich die Bindungsenergie dieser Elektronen um 1,1 Elektronenvolt (eV) von 84,0 auf 85,1 eV. Ähnliche Effekte konnten schon früher an Clustern aus Edelgasen, Aluminium, Kohlenstoff oder Methan beobachtet werden, die ebenfalls bevorzugt zu Haufen mit magischen Teilchenzahlen wie 13, 55 oder 147 kondensierten. "Diese Arbeit bietet einen neuen Ansatz für die Synthese von sehr kleinen Gold-Nanoclustern und wird das aufregende Feld der Gold-Katalyse stimulieren", ist D. Wayne Goodman von der Texas A&M University überzeugt. So werden weitere Katalyse-Versuche an anderen Substanzen als Styrol mit Goldclustern selektiver Größe folgen.