Katalyse: Hohe Reaktionsraten auch ohne Edelmetalle

Edelmetallfreie Nanopartikel könnten eines Tages teure Katalysatoren für die Wasserstoffproduktion ersetzen. Welche Reaktionsraten sie erreichen können, ist allerdings oft schwer zu bestimmen, insbesondere wenn es sich um Oxidpartikel handelt. Denn die Partikel müssen mit einem Bindemittel und leitfähigen Zusätzen an der Elektrode befestigt werden, was die Ergebnisse verzerrt. Mithilfe elektrochemischer Analysen einzelner Partikel ist es Forscherinnen und Forschern nun gelungen, die Aktivität und den Stoffumsatz von Nanokatalysatoren aus Kobalt-Eisenoxid zu bestimmen – und zwar ohne Bindemittel.

Die Entwicklung edelmetallfreier Katalysatoren spielt bei der Realisierung der Energiewende eine entscheidende Rolle, da nur sie kostengünstig und zahlreich genug verfügbar sind, um erneuerbare Brennstoffe in der benötigten Menge zu produzieren, so Kristina Tschulik, Mitglied im Exzellenzcluster Ruhr Explores Solvation, kurz Resolv. Wasserstoff, ein vielversprechender Energieträger, kann durch Elektrolyse, also durch die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gewonnen werden. Der limitierende Faktor dabei ist bislang die Teilreaktion, in der Sauerstoff entsteht.

Besser als aktuelle industriell erzielte Reaktionsraten

Wie effizient Kobalt-Eisenoxid-Partikel die Sauerstoffentwicklung katalysieren können, untersuchten die Forscherinnen und Forscher in der aktuellen Arbeit. Sie analysierten viele einzelne Partikel nacheinander. An der Elektrodenoberfläche ließen die Chemiker ein Partikel die Sauerstoffentwicklung katalysieren und maßen den dabei entstehenden Stromfluss, welcher Aufschluss über die Reaktionsrate gibt. Tschulik hat Stromdichten von mehreren Kiloampere pro Quadratmeter gemessen. Das liegt oberhalb der derzeit industriell möglichen Reaktionsraten.

Das Team zeigte, dass für Partikel unter zehn Nanometern Größe der Stromfluss von der Partikelgröße abhängt – je kleiner der Katalysatorpartikel war, desto kleiner der Stromfluss. Außerdem wird der Stromfluss durch den Sauerstoff begrenzt, der in der Reaktion entsteht und von der Partikeloberfläche wegdiffundiert.

Extrem stabil trotz hoher Belastung

Nach den Katalyseexperimenten betrachteten die Chemiker die Katalysatorpartikel unter dem Transmissionselektronenmikroskop. Trotz der hohen Reaktionsraten, also obwohl die Partikel so viel Sauerstoff erzeugt hatten, veränderten sie sich kaum. Die Stabilität unter extremen Bedingungen ist ausgezeichnet.

Der in der aktuellen Arbeit verwendete Analyseansatz ist auch auf andere Elektrokatalysatoren übertragbar. Mehr über die Aktivitäten von Nanokatalysatoren zu erfahren ist unabdingbar, um edelmetallfreie Katalysatoren für erneuerbare Energietechnologien von morgen effizient weiterentwickeln zu können. Um den Einfluss der Größe auf die katalytische Aktivität genau untersuchen zu können, ist es wichtig, die Nanopartikel in definierten Größen produzieren zu können. Im Rahmen der Universitätsallianz Ruhr kooperiert das Bochumer Team daher eng mit Forschern der Universität Duisburg-Essen um Prof. Dr. Stephan Schulz, die die Katalysatorpartikel herstellen.

Die Universitätsallianz Ruhr: Seit 2007 arbeiten die drei Ruhrgebietsuniversitäten unter dem Dach der Universitätsallianz Ruhr (UA Ruhr) strategisch eng zusammen. Durch Bündelung der Kräfte werden die Leistungen der Partneruniversitäten systematisch ausgebaut. Unter dem Motto gemeinsam besser gibt es inzwischen über 100 Kooperationen in Forschung, Lehre und Verwaltung. Mit mehr als 120.000 Studierenden und nahezu 1.300 Professorinnen und Professoren gehört die UA Ruhr zu den größten und leistungsstärksten Wissenschaftsstandorten Deutschlands.

Förderung: Die Deutsche Forschungsgemeinschaft förderte die Arbeiten im Rahmen des Exzellenzclusters Resolv (EXC 2033) und des Sonderforschungsbereichs/Transregio (TRR247). Weitere Unterstützung kam vom Land Nordrhein-Westfalen durch das NRW-Rückkehrprogramm, das Avicenna-Studienwerk und das China Scholarship Council (201706060204).

Originalpublikation: Abdelilah El Arrassi et al.: Intrinsic activity of oxygen evolution catalysts probed at single CoFe2O4 nanoparticles, in: Journal of the American Chemical Society, 2019, DOI: 10.1021/jacs.9b04516.

https://news.rub.de