Die besten Katalysatorpartikel: Würfel übertreffen Kugeln

Von der Ruhr-Universität Bochum 5. Februar 2023

Elektrokatalysatoren sind Stoffe, die chemische Reaktionen in elektrochemischen Zellen beschleunigen. Sie sind entscheidende Komponenten in vielen Energieumwandlungs- und Speichertechnologien wie Brennstoffzellen, Batterien und Elektrolyseuren, da sie die Effizienz und Stabilität dieser Systeme verbessern.

Im Kampf gegen den Klimawandel ist die Reduzierung der CO2-Emissionen von entscheidender Bedeutung. Derzeit ist grauer Wasserstoff, der aus Erdöl und Erdgas hergestellt wird, weit verbreitet, es gibt jedoch Bestrebungen, ihn durch grünen Wasserstoff zu ersetzen, der aus erneuerbaren Quellen erzeugt wird. Grüner Wasserstoff wird durch Elektrolyse hergestellt, ein Prozess, bei dem Elektrizität Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspaltet. Trotz ihres Potenzials müssen mehrere Herausforderungen bewältigt werden, um die Elektrolyse zu einer praktikablen Option zu machen.

Der Prozess der Wasserspaltung ist derzeit nur bedingt effizient und es gibt nicht genügend leistungsstarke, langlebige und kostengünstige Katalysatoren dafür.

„Derzeit basieren die aktivsten Elektrokatalysatoren auf den seltenen und teuren Edelmetallen Iridium, Ruthenium und Platin“, zählt Kristina Tschulik auf. „Unsere Aufgabe als Forscher ist es daher, neue, hochaktive Elektrokatalysatoren zu entwickeln, die frei von Edelmetallen sind.“

Ihre Forschungsgruppe untersucht Katalysatoren in Form von Nanopartikeln aus unedlen Metalloxiden, die eine Million Mal kleiner als ein menschliches Haar sind. Sie werden im industriellen Maßstab hergestellt und unterscheiden sich in Form, Größe und chemischer Zusammensetzung.

Kristina Tschulik (links) und Hatem Amin untersuchen Nanopartikel als Katalysatoren für grünen Wasserstoff. Bildnachweis: © RUB, Marquard

„Mit Messungen untersuchen wir sogenannte Katalysatortinten, in denen Milliarden von Partikeln mit Bindemitteln und Zusatzstoffen vermischt sind“, erläutert Kristina Tschulik. Mit dieser Methode können Forscher nur eine durchschnittliche Leistung messen, nicht aber die Aktivität einzelner Partikel – worauf es wirklich ankommt.

„Wenn wir wüssten, welche Partikelform bzw. Kristallfacette – die nach außen gerichteten Oberflächen – am aktivsten ist, könnten wir gezielt Partikel mit genau dieser Form herstellen“, sagt Dr. Hatem Amin, Postdoktorand im Bereich Analytische Chemie an der Ruhr-Universität Bochum.

Die Forschungsgruppe hat eine Methode entwickelt, um einzelne Partikel direkt in Lösung zu analysieren. Dadurch können sie die Aktivität verschiedener Nanomaterialien miteinander vergleichen, um den Einfluss von Partikeleigenschaften wie ihrer Form und Zusammensetzung auf die Wasserspaltung zu verstehen. „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Kobaltoxidpartikel in Form einzelner Würfel aktiver sind als Kugeln, da letztere immer mehrere andere, weniger aktive Facetten haben.“

Die experimentellen Ergebnisse der Bochumer Gruppe wurden von ihren Kooperationspartnern um Professorin Rossitza Pentcheva von der Universität Duisburg-Essen im Rahmen des Sonderforschungsbereichs/Transregio 247 bestätigt. Letztere deuten in ihren theoretischen Analysen auf eine Veränderung der aktiven Katalysatorregionen hin, und zwar von Kobalt Atome, die von Sauerstoffatomen umgeben sind und ein Oktaeder bilden, bis hin zu Kobaltatomen, die von einem Tetraeder umgeben sind.

„Unsere Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen Partikelform und Aktivität legen den Grundstein für das wissensbasierte Design brauchbarer Katalysatormaterialien und damit für die Transformation unserer fossilen Energie- und Chemieindustrie hin zu einer Kreislaufwirtschaft, die auf erneuerbaren Energiequellen basiert und hochaktiv ist.“ , langlebige Katalysatoren“, schließt Kristina Tschulik.

Referenz: „Facet-Dependent Intrinsic Activity of Single Co3O4 Nanoparticles for Oxygen Evolution Reaction (Adv. Funct. Mater. 1/2023)“ von Zhibin Liu, Hatem MA Amin, Yuman Peng, Manuel Corva, Rossitza Pentcheva und Kristina Tschulik, 3. Januar 2023, Advanced Functional Materials.DOI: 10.1002/adfm.202370006