Smarte Katalysatoren für Wasserstofftechnologien nach Maß

Werkstoffe 09. 02. 2024
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Ohne sie läuft nichts: Katalysatoren spielen eine wichtige Rolle bei der Energiewende, etwa zur Herstellung von grünem Wasserstoff. Der Einsatz von winzigen Nanopartikeln in Energiewandlern beschleunigt die ablaufenden Reaktionen erheblich. Mittels der sogenannten Metal Exsolution lassen sich die Nanoteilchen auf direktem Wege und besonders kontrolliert herstellen. Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich liefern in der Fachzeitschrift Nature Materials nun erstmalig ein detailliertes Verständnis der Prozesse, die bei diesem noch relativ neuen Verfahren ablaufen. Die Ergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten zur Entwicklung von Hochleistungskatalysatoren und smarten Funktionsmaterialen.

Für die Herstellung von grünem Wasserstoff mithilfe von elektrischem Strom, der aus Sonnen- oder Windenergie gewonnen wurde, sind effiziente Katalysatoren erforderlich. Derartige Katalysatoren erleichtern die chemische Aufspaltung von Wassermolekülen in Sauerstoff und Wasserstoff und tragen somit dazu bei, immense Energieverluste bei der Wasserstofferzeugung zu verhindern.

Die Leistung eines Katalysators hängt insbesondere von seinen Oberflächeneigenschaften ab. Diese bestimmen, ob ein Wassermolekül gerne an der Oberfläche sitzt, in seine Bestandteile zerfällt oder sich mit anderen Stoffen verbindet. Als Produkte fallen dann beispielsweise Wasserstoff oder Ausgangsstoffe für synthetische Kraftstoffe an, die man verwenden kann, um erneuerbare Energie zu speichern und die Sektorkopplung zu verbessern.

Die eigentliche elektrochemische Schnittstelle, also der Bereich, in dem die Oberfläche des Katalysators mit den Reaktanden, etwa Wasser, in Kontakt steht, ist extrem dünn und muss sorgfältig gestaltet werden. Metal Exsolution, eine Festkörperreaktion, bei der metallische Nanopartikel aus einem funktionellen Oxid ausgeschieden werden, macht atomar maßgeschneiderte Katalysatordesigns möglich. Mit der Methode lassen sich nano­skalige Bausteine verschiedener Materialklassen präzise zu dreidimensionalen ­Strukturen kombinieren. Das Verfahren bietet damit vielversprechende Möglichkeiten für die Entwicklung von Katalysatoren, die auf häufig vorkommenden Metallen basieren und sogar ganz ohne Edelmetalle auskommen.

Wissenschaftliches Ergebnis

Mithilfe der Metal Exsolution lassen sich Größe, Dichte und Verteilung der Nanopartikel auf der Oberfläche eines funktionellen Oxids sehr genau kontrollieren. Die metallischen Nanopartikel wachsen bei dieser Methode selbstständig in Verbindung mit dem Funktionsmaterial zu komplex strukturierten Nanoteilchen zusammen. Der Prozess wird durch eine reduzierende Wärmebehandlung von Metalloxiden angetrieben, die in einem Funktionsmaterial gelöst sind. Von dort aus wandern sie an die Oberfläche, wo sie bei hohen Temperaturen chemisch reduziert werden und mit dem Oxid zu Nanokatalysatoren zusammenwachsen.

Die komplexen Reaktionen, die bei diesem Verfahren ablaufen, lassen sich bislang nicht einheitlich und nur durch verschiedene Erklärungsansätze beschreiben. Wie das Forschungszentrum Jülich mitteilt, konnte dort nun ein mechanistischer Durchbruch erzielt werden, der durch die Synergie der Expertisen des Instituts für Energie- und Klimaforschung (IEK-1) und des Peter Grünberg Instituts (PGI-7) möglich gemacht wurde. Im Rahmen des vorstandgeförderten Vernetzungsprojekts konnten die Teams um Energieforscher Dr. Christian Lenser (IEK-1) und Materialphysiker Dr. Felix Gunkel (PGI-7) in Zusammenarbeit mit der Charles University (Prag) die grundlegenden Prozesse während der Entstehung der Nanopartikel aufklären. Erstautor der Studie und Jülicher Exzellenzpreisträger Dr. Moritz L. Weber konnte ­dabei ein Modell entwickeln und experimentell veri­fizieren, das detailliert aufzeigt, wie die Eigenschaften der Nanopartikel von der elektrostatischen Wechselwirkung mit dem darunterliegenden Funktionsmaterial abhängen.

Die in Nature Materials veröffentlichte Arbeit stellt eine signifikante Verbesserung des Verständnisses und der ­Kontrollierbarkeit von Nanopartikeln in Katalysatoren ­speziell für Hochtemperaturbrennstoffzellen und Hoch­temperaturelektrolyseure dar, mit denen sich die höchsten Wirkungsgrade erzielen lassen. Die Ergebnisse liefern ein neues Verständnis der Reaktionsdynamik und ebnen durch Kontrolle der Oberflächeneigenschaften den Weg für die Entwicklung von Katalysatoren auf Perowskitbasis – einer wichtigen Materialklasse, die als vielseitiges Funktionsmate­rial auch in der Forschung zur Nanoelektronik, Spintronik und weiteren ­Energietechnologien eingesetzt wird.

Originalpublikation:

M. L. Weber, B. Šmíd, U. Breuer et al.: Space charge governs the kinetics of metal exsolution; Nature Materials (2024), https://doi.org/10.1038/s41563-023-01743-6

Kontakt:

Dr. Christian Lenser, Forschungszentrum Jülich (IEK-1),
E-Mail: c.lenser@fz-juelich.de

Dr. Felix Gunkel, Peter Grünberg-Institut (PGI-7),
E-Mail: f.gunkel@fz-juelich.de

Text zum Titelbild: Nanopartikel kontrolliert herstellen mittels Metal Exsolution: Die Bewegung gelöster Metalloxide durch das Funktionsmaterial wird durch das interne elektrische Feld (Raumladungszone) stark beeinflusst. An der Oberfläche werden die Metalloxide chemisch reduziert, sodass sie zu metallischen Nanopartikeln zusammenwachsen (© Th. Pössinger, RWTH Aachen/M. L. Weber, FZ Jülich)

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