image: From the outside, the cluster made of 55 copper and aluminum atoms looks like a crystal, but chemically it has the properties of an atom. The heterometallic superatom created at Chair of Inorganic and Organometallic Chemistry at the Technical University of Munich is the largest ever produced in the laboratory. view more
Credit: Christian Gemel / TUM
Äußerlich sieht der Cluster aus 55 Kupfer- und Aluminiumatomen aus wie ein Kristall, chemisch hat er jedoch die Eigenschaften eines Atoms. Das hetero-metallische Superatom, das Chemikerinnen und Chemiker der Technischen Universität München (TUM) hergestellt haben, schafft die Voraussetzung für die Entwicklung neuer, kostengünstiger Katalysatoren.
Chemie kann teuer sein. Zum Reinigen von Abgasen beispielsweise benutzt man Platin. Das Edelmetall dient als Katalysator, der chemische Reaktionen beschleunigt. Ohne Katalysatoren wären viele Prozesse der chemischen Industrie nicht durchführbar.
Viele Forschungsgruppen experimentieren mit neuen Materialverbindungen aus kostengünstigeren, unedlen Metallen wie Eisen, Kupfer oder Aluminium. Doch bisher konnte niemand voraussagen, ob, wie und warum diese Katalysatoren reagieren, erklärt Roland Fischer, Professor für Anorganische und Metallorganische Chemie der TUM. Unser Ziel war es, diese Lücke zu schließen und die Grundlage zum Verständnis einer neuen Generation von Katalysatoren zu schaffen.
Bottom-up zur Erkenntnis
Zusammen mit seinem Team konnte der Chemiker jetzt ein Geheimnis der unedlen Metallverbindungen lüften. Das Neue an unserem Ansatz war, dass wir nicht vorhandene Materialen untersucht, sondern Bottom-up Verbindungen aus einzelnen Kupfer- und Aluminiumatomen aufgebaut haben, berichtet Fischer.
Zwei Metalle auf atomarer Ebene zu verbinden, verlangte einiges an Know-how und Fingerspitzengefühl: Unter einer schützenden Argon-Atmosphäre mischten das Team im Reagenzglas die Metallatome, die an organische Verbindungen gebunden waren und gaben dann ein Lösungsmittel zu.
Wir haben natürlich gehofft, dass sich die Kupfer- und Aluminiumatome von den organischen Verbindungen trennen und zusammen einen Cluster bilden. Aber ob sie das wirklich tun und was dabei herauskommt, war völlig unklar, erinnert sich Fischer.
Das Geheimnis der Kristalle
Die Freude der Chemiker war daher groß, als sich am Boden des Reagenzglases rotschwarze Körnchen mit bis zu einem Millimeter Durchmesser bildeten. Röntgenaufnahmen brachten eine äußerst komplexe Struktur zum Vorschein: Jeweils 55 Kupfer- und Aluminiumatome sind so angeordnet, dass sie einen Kristall bilden, dessen Oberfläche aus 20 gleichseitigen Dreiecken besteht.
Die Kristallographie nennt einen solchen Körper Ikosaeder. Weitere Untersuchungen zeigten, dass die Kristalle chemisch wie ein einzelnes Kupfer-Atom reagieren und außerdem paramagnetisch sind, das heißt, sie werden durch ein starkes Magnetfeld angezogen.
Eine Erklärung für diese außergewöhnlichen Eigenschaften der Metallcluster lieferte Prof. Jean-Yves Saillard von der französischen Universität in Rennes: 43 Kupfer- und 12 Aluminiumatome bilden demnach ein Superatom, in dem die Metalle eine gemeinsame Elektronenhülle aufbauen, die der eines einzelnen Metallatoms gleicht.
Der Cluster hat daher die chemischen Eigenschaften eines Atoms. Auf der äußersten Schale befinden sich drei Valenzelektronen, deren Spins sich in einem Magnetfeld ausrichten daher der beobachtete Paramagnetismus.
Wissensbasis für neue Katalysatoren
Das hetero-metallische Superatom des Münchner Forschungsteams, ist das größte, das je im Labor hergestellt wurde. Dass es sich spontan, das heißt ohne Zufuhr von Energie, aus einer Lösung heraus bildet, ist ein äußerst bemerkenswertes Ergebnis, betont Fischer. Es zeigt, dass die Anordnung von 55 Atomen eine Insel der Stabilität darstellt und damit die Richtung vorgibt, in die die chemische Reaktion abläuft.
Die Ergebnisse des Forschungsprojekts will der Wissenschaftler jetzt nutzen, um feinkörnige und damit hochwirksame Katalysatormaterialien zu entwickeln. Von einer Anwendung sind wir zwar noch weit entfernt, betont Fischer. Aber auf der Basis des jetzt Erreichten, können wir die Eignung von Kupfer-Aluminium-Clustern für katalytische Prozesse prüfen und auch Cluster aus anderen erfolgversprechenden Metallen herstellen.
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Weitere Informationen:
Das Projekt wurde gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft, die Alexander von Humboldt-Stiftung und den Fonds der Chemischen Industrie. Rechenzeit stellte das französische Supercomputing Center GENCI zur Verfügung.
Publikation:
Jana Weßing, Chelladurai Ganesamoorthy, Samia Kahlal, Rémi Marchal, Christian Gemel, Olivier Cador, Augusto C.H. Da Silva, Juarez L. F. Da Silva, Jean-Yves Saillard and Roland A. Fischer: The Mackay-type cluster [Cu43Al12](Cp*)12: Open-shell 67electron superatom with emerging metal-like electronic structure; Angew. Chem. 07/2018. DOI: 10.1002/ange.201806039
Journal
Angewandte Chemie International Edition