Sauberer Kraftstoff dank Nanopartikel
Festes Molybdändisulfid (MoS2) ist ein bekannter und häufig eingesetzter Schmierstoff. Sehr kleine MoS2-Nanopartikel haben vielfältige weitere Anwendungsmöglichkeiten, zum Beispiel als Katalysator zur Entschwefelung von Kraftstoffen, denn bei MoS2 variieren die physikalischen und chemischen Eigenschaften deutlich stärker mit der Partikelgröße als bei anderen Materialien. Wissenschaftler der Technischen Universität Dresden und des Forschungszentrums Dresden-Rossendorf haben dem Zusammenhang zwischen der Größe und den spezifischen Materialeigenschaften von MoS2-Nanopartikeln nachgespürt. Sie konnten erstmalig zeigen, dass neben der Größe auch die Form der Teilchen für eine Anwendung in der Kraftstoff-Entschwefelung wichtig ist. Diese Ergebnisse wurden jüngst in den Fachjournalen Angewandte Chemie (46/2007) und Nature Nanotechnology (2/2007) diskutiert.
Seit längerem ist bekannt, dass sehr kleine, schwefelreiche MoS2-Plättchen Kraftstoff entschwefeln können, und dass diese Fähigkeit mit abnehmender Teilchengröße sehr stark ansteigt. Dieser Effekt wurde auf die spezielle Struktur entlang der Kanten dieser regelmäßig dreieckigen Nanoteilchen zurückgeführt. Im Gegensatz zum halbleitenden MoS2-Festkörper sind diese Kanten elektronisch leitend wie ein Metall. Da die Bindung schwefelhaltiger Verunreinigungen des Kraftstoffs nur an den Kanten der dreieckigen Plättchen erfolgt, interessierte sich ein internationales Team aus Wissenschaftlern der Technischen Universität Dresden, des Forschungszentrums Dresden-Rossendorf und des Weizmann-Instituts in Rehovot, Israel, für die Bindungseigenschaften von größeren MoS2-Nanoteilchen mit vielen, langen und gut zugänglichen Kanten. Vor allem dreidimensionale Teilchen, so fanden sie heraus, versprechen ein hohes Potential für die Entschwefelung und Entgiftung von Autoabgasen. Solche Oktaeder-Teilchen von der Gestalt einer Doppelpyramide sind weniger aufwendig in der Herstellung als die im Einsatz befindlichen sehr kleinen Plättchen, die quasi wie Nano-Konfetti auf einer Goldschicht hergestellt werden müssen.
Erstmalig konnten die Forscher damit zeigen, dass die Fähigkeit zur Entschwefelung von Treibstoff nicht auf kleinste MoS2-Teilchen beschränkt sein muss, sondern dass auch bei größeren Nanoteilchen verwandte Effekte auftreten. Neben der Partikelgröße, so das Ergebnis, bestimmt die dreidimensionale Struktur von MoS2-Nanoteilchen die chemischen und physikalischen Eigenschaften in entscheidender Weise. Als wichtiges Ergebnis der gemeinsamen Studien konnte über mehrere Größenordnungen hinweg der Zusammenhang zwischen Teilchengröße und -gestalt einerseits und den elektronischen Eigenschaften andererseits erfasst werden: MoS2-Nanoteilchen wie Plättchen, Fullerene und sogar Nanoröhren mit Abmessungen von mehr als 10 Nanometern sind halbleitend wie der ausgedehnte MoS2-Kristall. Im Gegensatz dazu existieren im Durchmesserbereich von 3 bis 7 Nanometern regelmäßige, dreidimensionale Strukturen, die aus je acht gleichseitigen Dreiecken zusammengesetzt sind. Für die Kanten und Ecken dieser Nano-Oktaeder sagen die Berechnungen der Dresdner Wissenschaftler ähnliche metallische Eigenschaften voraus, wie sie für die kleineren, katalytisch aktiven Nanoplättchen gefunden wurden. Einwandige Nano-Oktaeder mit wenigen Hundert Atomen sind der Berechnung zufolge zwar instabil und wurden bislang auch nicht beobachtet. Mehrwandige, wie eine Matrjoschka-Puppe ineinander geschachtelte Oktaeder sind demgegenüber stabil herstellbar und versprechen ähnliche Fähigkeiten wie die kleineren, katalytisch aktiven Nanoplättchen (Angew. Chem. Int. Ed. 46 (2007), 623). Diese Materialien wurden mit verschiedenen experimentellen und theoretischen Techniken (Transmissions-Elektronenmikroskopie, quantenmechanische Simulation) untersucht.
Veröffentlichungen:
Sibylle Gemming, Gotthard Seifert u.a., “Catalysts on the edge”, in: Nature Nanotechnology, Vol. 2, January 2007, pp. 21 – 22.
Maya Bar-Sadan, Sibylle Gemming, Gotthard Seifert u.a., „Struktur und Stabilität von Molybdänsulfid-Fullerenen”, in: Angewandte Chemie (internationale Ausgabe) Nr. 46 (2007), pp. 631 – 635.
Mehrwandiger MoS2-Nano-Oktaeder
Bild: A. Enyashin, TU Dresden
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