Warum Gold so korrosionsbeständig ist und Goldnanopartikel Sauerstoff aktivieren

Es gibt mehrere überzeugende Gründe dafür, dass Gold zu den wertvollsten Metallen der Erde zählt.

Einer davon ist sein glänzender Schimmer. Anders als viele andere Metalle ist Gold ausgesprochen widerstandsfähig gegen Rost, Anlaufen und Korrosion – selbst in Jahrtausenden wird es noch genauso leuchtend gelb glänzen wie heute.

Diese Eigenschaft wird als chemische Edelheit bezeichnet und bedeutet, dass ein Element nur eine geringe Reaktivität besitzt.

Gold ist das edelste aller bekannten Metalle. Es reagiert kaum mit Stoffen wie Sauerstoff, der sich bei anderen Metallen an Atome ihrer Oberflächenschichten bindet und dadurch Rost oder Anlaufen verursacht.

Nun haben die Computerchemiker Santu Biswas und Matthew M. Montemore von der Tulane University in den USA herausgefunden, warum das so ist.

Ihre Untersuchung zufolge bilden die Atome an der Goldoberfläche ein so dichtes Muster, dass ein Disauerstoffmolekül, das sonst mit ihr wechselwirken würde, nicht leicht genug auseinanderbrechen kann, um eine Oxidation auszulösen.

Würde sich diese Anordnung etwas auflockern, könnte Gold deutlich anfälliger für Rost werden – doch genau das könnte durchaus vorteilhaft sein.

Gold, Disauerstoff und die Sauerstoffaktivierung

In der Chemie ist die Sauerstoffaktivierung ein wichtiger Schritt, der weitere Reaktionen erst ermöglicht. Um etwa Kohlenmonoxid in Kohlendioxid umzuwandeln, wird ein freies, reaktives Sauerstoffatom benötigt, das sich an CO anlagern und daraus CO₂ bilden kann.

Dazu können Forschende Disauerstoff mithilfe einer Metalloberfläche „aktivieren“, welche das Molekül in zwei hochreaktive Sauerstoffatome spaltet.

Gold wäre für diese Reaktion ein besonders begehrter Katalysator, weil es so inert ist – also nicht stark mit anderen Atomen oder Molekülen reagiert.

Manche Katalysatoren zur Sauerstoffaktivierung sind wesentlich reaktiver. Das kann unerwünschte Nebenprodukte erzeugen, oder der Katalysator bindet Sauerstoff selbst zu stark und korrodiert mit der Zeit.

Man könnte daher annehmen, dass Gold für diese Aufgabe ungeeignet ist. Doch in den 1980er-Jahren machten Wissenschaftler eine überraschende Entdeckung.

Während massives Gold für die Sauerstoffkatalyse nicht geeignet ist, aktivieren Goldnanopartikel Sauerstoff erstaunlich wirksam.

Diese Entdeckung warf eine zentrale Frage auf.

Wenn Gold Sauerstoff so stark abweist, wie können diese winzigen Partikel dann überhaupt Oxidationsreaktionen antreiben?

Goldnanopartikel: Entscheidend ist die Oberflächenstruktur

Die neue Studie legt nahe, dass die Antwort in der Anordnung der Atome auf der Goldoberfläche liegen könnte.

Biswas und Montemore untersuchten mithilfe von Computersimulationen, was geschieht, wenn Sauerstoffmoleküle auf nanoskopische Goldoberflächen mit unterschiedlichen Atomstrukturen treffen.

Konkret betrachteten sie zwei Musterarten: „rekonstruierte“ Oberflächen, auf denen sich die Atome in jener dicht gepackten hexagonalen Anordnung einordnen, die Gold natürlicherweise bevorzugt, sowie „nicht rekonstruierte“ Oberflächen mit lockereren, quadratähnlichen Mustern.

Der Unterschied zwischen beiden Oberflächentypen fiel drastisch aus.

Auf den rekonstruierten Oberflächen verlief die Wechselwirkung genau wie erwartet. Das Sauerstoffmolekül konnte nicht ohne Weiteres in zwei Sauerstoffatome zerfallen, wie es auch in realen Situationen mit massivem Gold beobachtet wurde.

Bei den nicht rekonstruierten Oberflächen zeigte sich dagegen ein völlig anderes Bild. Hier spalteten sich die Sauerstoffmoleküle recht leicht.

Den Simulationen zufolge liegt das daran, dass Sauerstoffmoleküle auf der dicht gepackten hexagonalen Oberfläche nicht genügend Raum finden, um einfach auseinanderzubrechen.

Die quadratischen Muster besitzen eine lockerere Geometrie, in der dieser Platz bereits vorhanden ist. Dadurch können die Sauerstoffmoleküle wesentlich leichter ausreichend Halt finden, um sich zu spalten.

Wie viel leichter? Um viele Größenordnungen, wie die Forschenden feststellten. Auf nicht rekonstruierten Oberflächen trat die Sauerstoffdissoziation Milliarden- bis Billionenfach häufiger auf als auf rekonstruierten Oberflächen.

Dies könnte erklären, weshalb sich winzige Goldnanopartikel so anders verhalten als massives Gold. Kleine Partikel entwickeln möglicherweise nicht vollständig die dicht gepackten rekonstruierten Oberflächen, die bei größeren Goldstücken auftreten, sodass reaktivere quadratähnliche Bereiche frei liegen.

Die dichte Anordnung der Oberflächenatome von massivem Gold dient nicht zwangsläufig dazu, Oxidation zu verhindern. Sie ist schlicht die stabilste Konfiguration des Metalls. Seine Korrosionsbeständigkeit ist lediglich ein bemerkenswerter Nebeneffekt.

Goldkatalysatoren mit höherer Aktivität

Die neuen Ergebnisse könnten Forschenden helfen, Goldkatalysatoren zu entwickeln, die Korrosionsbeständigkeit und eine effiziente Sauerstoffaktivierung miteinander verbinden.

„Dies liefert ein neues Verständnis dafür, warum Gold gegenüber Disauerstoff so inert ist, und deutet darauf hin, dass die Erzeugung von Oberflächen mit quadratischen oder rechteckigen Strukturen die katalytische Aktivität von Gold bei Oxidationsreaktionen deutlich verbessern könnte“, schreiben die Forschenden.

„Unsere Ergebnisse bieten eine neue Strategie für die Entwicklung goldbasierter Katalysatoren, die eine Rekonstruktion minimieren oder quadratähnliche Motive stabilisieren, um die Disauerstoffaktivierung zu verstärken.“

Die Ergebnisse wurden in Physical Review Letters veröffentlicht.