Katalysatoren beschleunigen chemische Reaktionen und sorgen dafür, dass die gewünschten Produkte entstehen, aber möglichst wenige unerwünschte Nebenprodukte. Daher sind Katalysatoren in der Chemie unverzichtbar. Viele Katalysatoren sind teure Edelmetalle und ihre Oxide. Um ihre Leistung zu maximieren, werden diese Materialien oft als Nanopartikel eingesetzt, weil nur ihre Oberflächenatome katalytisch aktiv sind. Eine vielversprechende Innovation, sogenannte Einzelatom-Katalysatoren (Single-Atom Catalysts, SACs), geht noch einen Schritt weiter: Dabei werden einzelne Metallatome auf günstigere Trägermaterialien verteilt. Diese Methode sorgt dafür, dass jedes Atom genutzt wird und oft einzigartige und verbesserte Funktionen im Vergleich zu größeren Partikeln zeigt.

Trotz ihres Potenzials stehen SACs vor Herausforderungen, die ihre breite industrielle Anwendung noch verhindern. Wichtige offene Fragen betreffen die Bindung einzelner Atome an das Trägermaterial, ihre strukturellen und elektronischen Eigenschaften sowie die Mechanismen, mit denen sie chemische Reaktionen antreiben. Ein weiteres Problem ist die Stabilität: SACs verlieren oft schnell ihre Wirksamkeit, was es notwendig macht, die Faktoren zu verstehen, die ihre Haltbarkeit und Leistung beeinflussen. Die Komplexität der Trägermaterialien erschwert zudem das vollständige Verständnis dieser Systeme.

Das neue FWF-Projekt Geschützte Einzelatom-Katalysatoren, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster widmet sich diesen Herausforderungen, indem vereinfachte Modellkatalysatoren mit gut definierten Oberflächenstrukturen unter ultrareinen Bedingungen untersucht werden. Dazu soll neue Methode, die „Liganden-unterstützte Abscheidung“ (Ligand-Assisted Deposition), entwickelt werden. Diese Technik ist vom Verfahren der Atomlagenabscheidung inspiriert und nutzt spezielle Moleküle, um einzelne Metallatome präzise auf dem Trägermaterial zu positionieren. Fortschrittliche Mikroskopie- und Spektroskopieverfahren werden eingesetzt, um zu beobachten, wie diese Atome mit Reaktanten interagieren; zusätzlich sollen auch Simulationsrechnungen durchgeführt werden.

Das Ziel ist es, die Faktoren zu entschlüsseln, die die Leistung von SACs bei Reaktionen wie der CO-Oxidation und der Acetylen-Hydrierung beeinflussen. Durch ein vertieftes Verständnis ihres Verhaltens und ihrer Einschränkungen will dieses Projekt wertvolle Einblicke für die Entwicklung effektiverer und nachhaltigerer Katalysatoren für industrielle Anwendungen liefern.