Möglicher Ersatz für Platin

Eisen- und Manganatome zusammen mit organischen Molekülen auf Goldunterlage aufgedampft

Natürliche Sauerstoff-reduzierende Enzyme enthalten Metalle wie Eisen und Mangan, die leicht über die Nahrung verfügbar sind. Mit dem Enzym verbundene organische Moleküle halten Atome dieser Metalle fest, sodass der Sauerstoff dort andocken und reduziert werden kann. Klaus Kern und seine Mitarbeiterin Doris Grumelli vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung haben nun Eisen- und Manganatome zusammen mit organischen Molekülen auf eine Goldunterlage aufgedampft. Dabei haben sie festgestellt, dass sich die organischen Moleküle und die Metallatome von selbst zu Mustern anordnen, die den funktionalen Zentren von Enzymen stark ähneln. Es bildeten sich Netzwerke, bei denen einzelne Eisen- oder Manganatome von mehreren organischen Molekülen umgeben sind wie die Kreuzungspunkte in einem Jägerzaun.
[note Die Eisen-Atome (blau) und die organischen Moleküle (grün, schwarz) bilden ein Flechtmuster auf der Gold-Unterlage. © Grumelli et al., Nat. Comm. 2013]

Damit die Forscher die katalytische Funktion der Netzwerke testen konnten, mussten sie ein Transportsystem entwickelten, mit dem sie Proben aus einem Vakuum in Flüssigkeiten überführen können. Denn die neuen Oberflächenstrukturen wurden in einem sehr reinen Vakuum erzeugt, die Tests fanden aber außerhalb der Vakuumkammer in einer elektrochemischen Zelle statt. Es zeigte sich, dass die katalytische Aktivität von der Art des Metallzentrums, die Stabilität der Struktur hingegen von der Art der organischen Moleküle, die das Netzwerk bilden, abhing. Eisenatome führten zu einer zweistufigen Reaktion über die Zwischenstufe Wasserstoffperoxid, während Manganatome eine direkte Umwandlung von Sauerstoff zu Wasser bewirkten.

Für Brennstoffzellen interessant dürfte die letztere Reaktion sein, da Experten durch die  direkte Reaktion eine höhere Effizienz bei der Umwandlung der chemischen in elektrische Energie erwarten. „Doch auch die andere Variante könnte Anwendungen finden“, sagt Grumelli, „und zwar um die die Reaktion zu unterbrechen.“ Dies kann zum Beispiel bei Biosensoren eine Rolle spielen. Jedenfalls hat die Gruppe eine neue Art von Nanokatalysatoren geschaffen, die kostengünstig herzustellen sind und deren Ausgangsmaterialien reichlich vorhanden sind. Doris Grumelli arbeitet schon an einer neuen Variante solcher Strukturen: Mithilfe spezieller organischer Moleküle, die je ein Metallatom enthalten und zusätzlichen Metallatomen will sie eine Oberflächenstruktur schaffen, die gleichzeitig zwei Arten von Metallatomen enthalten. „Solche Strukturen könnten als Modellsystem für die biologische Forschung dienen“, sagt die Wissenschaftlerin.
->Quelle: CJM/HR; mpg.de; fkf.mpg.de