Ruthenium wird häufig eingesetzt, um chemische Reaktionen zu beschleunigen, doch seine Knappheit und sein Preis machen eine effiziente Nutzung des Metalls zu einem wichtigen Forschungsziel. Ein Ansatz besteht darin, Ruthenium als einzelne Atome zu verteilen, sodass ein größerer Anteil des Metalls an Reaktionen teilnehmen kann als bei größeren Partikeln.
Forschende der Tohoku-Universität haben gemeinsam mit der Universität Tsukuba, der Universität Kyoto und der Universität Osaka eine Methode zur Herstellung von Ruthenium-Einzelatomkatalysatoren mit hoher Dichte entwickelt. Das Material kann Kohlendioxid in Ameisensäure umwandeln, einen Rohstoff, der von mehreren Industriezweigen genutzt wird. Die Ergebnisse wurden in Angewandte Chemie International Edition veröffentlicht.
Die größte Herausforderung bestand darin, zu verhindern, dass sich die Rutheniumatome zusammenschlossen, wenn größere Mengen des Metalls in den Katalysator eingebracht wurden. Das Team entwickelte Moleküle mit einer flexibleren Struktur, die die Atome wirksamer aufnehmen konnte. Durch das Erhitzen dieser Moleküle entstand ein geordnetes, poröses Kohlenstoffmaterial, das die Rutheniumatome voneinander getrennt hielt.
Mit diesem Verfahren erreichten die Forschenden eine Rutheniumkonzentration von bis zu 11 % nach Gewicht. Im Ausgangsartikel heißt es, dass herkömmliche Ruthenium-Einzelatomkatalysatoren typischerweise weniger als 2 % enthalten.
Tests zeigten, dass der Katalysator Kohlendioxid mit einer Selektivität von mehr als 99 % in Ameisensäure umwandelte, was darauf hindeutet, dass nur sehr wenige unerwünschte Nebenprodukte entstanden. Seine Leistung blieb auch nach wiederholter Verwendung hoch; dabei wurden weder ein Zusammenlagern der Rutheniumatome noch Schäden an der Kohlenstoffstruktur beobachtet.
Die Forschenden erklären, dass der Ansatz eine effizientere Nutzung begrenzter Vorräte wertvoller Metalle ermöglichen könnte. Sie wollen untersuchen, ob dieselbe Strategie auf andere Edelmetalle, darunter Platin, Palladium und Iridium, angewendet werden kann.
Quellen: Phys.org.