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Hohe Reaktionsraten auch ohne Edelmetalle

Veröffentlichung in JACS Hohe Reaktionsraten auch ohne Edelmetalle

[19.06.2019]

Edelmetalle sind oft effiziente Katalysatoren. Aber sie sind teuer und selten. Wie effizient edelmetallfreie Alternativen sind, ist bislang jedoch schwer zu bestimmen. Ein Team um Prof. Dr. Kristina Tschulik von der Ruhr-Universität Bochum veröffentlichte gemeinsam mit Prof. Dr. Stephan Schulz (UDE) und Kollegen aus Dresden im Journal of the American Chemical Society.

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 Forschern nun gelungen, die Aktivität und den Stoffumsatz von Nanokatalysatoren aus Cobalt-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“, sagt 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 Cobalt-Eisenoxid-Partikel die Sauerstoffentwicklung katalysieren können, untersuchten die 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. „Wir haben Stromdichten von mehreren Kiloampere pro Quadratmeter gemessen“, so Tschulik. „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“, resümiert Tschulik. „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“, so die Bochumer Chemikerin. 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 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).

 

Bild: In dieser abgeschirmten Zelle testen die Forscherinnen und Forscher die Nanopartikel in elektrochemischen Experimenten. (Foto: RUB, Kramer)

Originalveröffentlichung:
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://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b04516

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Kristina Tschulik, Analytische Chemie II, RUB, Tel. 0234 32 29433, nanoec@rub.de
Prof. Dr. Stephan Schulz, Anorganische Chemie, UDE, Tel. 0201/183-4635, stephan.schulz@uni-due.de

Redaktion: Dr. Julia Weiler, RUB