Edelmetallfreies Katalysatorsystem so aktiv wie Platin
Damit könnten leistungsfähige Katalysatoren viel billiger werden
Als Katalysator für die Sauerstoffreduktion, die zum Beispiel in Brennstoffzellen oder Metall-Luft-Batterien ausschlaggebend ist, setzt die Industrie bisher Platinlegierungen ein. Das teure und seltene Metall setzt der Produktion enge Grenzen. Forscher der Ruhr-Universität Bochum (RUB) und des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung haben jetzt eine aus fünf Elementen bestehende Legierung entdeckt, die edelmetallfrei und genauso aktiv ist wie Platin.

Das Forscherteam Tobias Löffler, Alan Savan, Alfred Ludwig und Wolfgang Schuhmann (von links) vor der kombinatorischen Sputteranlage, in der die Nanopartikelbibliotheken hergestellt wurden.
© RUB, Kramer
Neue Nachbarn bilden aktive Zentren
Die katalytischen Eigenschaften von Nichtedelmetall-Elementen und deren Legierungen sind normalerweise schlecht. Zur Überraschung der Forscher zeigt aber eine Legierung aus fünf nahezu gleichmäßig vertretenen Komponenten deutlich verbesserte Eigenschaften. Grund dafür ist der sogenannte Hochentropieeffekt. Er führt dazu, dass mehrkomponentige Legierungen eine einfache Kristallstruktur behalten.
„Durch das Zusammenwirken der verschiedenen benachbarten Elemente bilden sich neue aktive Zentren aus, die komplett neue Eigenschaften aufweisen und somit nicht mehr an die limitierenden Eigenschaften der einzelnen Elemente gebunden sind“, erklärt Tobias Löffler, Doktorand am RUB-Lehrstuhl für Analytische Chemie – Zentrum für Elektrochemie von Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann. „Unsere Arbeit zeigt, dass diese Legierungen auch für die Katalyse hochinteressant sind.“
Legierungs-Nanopartikelbibliotheken herstellen
Auf der Suche nach einer Alternative zu Platin stellten die Forscher am Lehrstuhl für Werkstoffe der Mikrotechnik der RUB von Prof. Dr. Alfred Ludwig mittels einer speziellen Methode Legierungs-Nanopartikelbibliotheken aus fünf Ausgangselementen her. Deren Atome vermischen sich im Plasma und bilden in einem Substrat aus ionischer Flüssigkeit Nanopartikel. Die Flüssigkeit befindet sich in kleinen Vertiefungen auf einem Träger.
Liegen die Nanopartikel in der Nähe der jeweiligen Atomquelle, ist der Anteil der Atome aus dieser Quelle im Partikel jeweils höher. In der Mitte des Trägers sind die Anteile aller fünf Elemente ungefähr gleich groß. „Dank dieses kombinatorischen Verfahrens haben wir präzise Kontrolle über die Zusammensetzung der Legierungsnanopartikel an jeder Stelle der Materialbibliothek“, so Alfred Ludwig.
Zusammensetzung optimiert
Die so entstandenen Nanopartikel untersuchte das Forscherteam des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung um Prof. Dr. Christina Scheu mittels Transmissionselektronenmikroskopie. Die Chemiker der RUB ermittelten ihre katalytische Aktivität und verglichen sie mit der von Platinnanopartikeln.
So fanden sie ein System aus fünf Elementen, bei dem der Hochentropieeffekt eine katalytische Aktivität für die Sauerstoffreduktion bewirkt, die vergleichbar mit der von Platin ist. Indem sie die Zusammensetzung optimierten, konnten sie die Aktivität sogar noch weiter steigern.
Weitreichende Auswirkungen auf die Elektrokatalyse
„Diese Erkenntnis hat möglicherweise weitreichende Auswirkungen auf die Elektrokatalyse generell“, schätzt Wolfgang Schuhmann. Die Forscher hoffen, dank der nahezu unerschöpflichen Kombinationsmöglichkeiten von Elementen und der Modifizierung ihrer Zusammensetzung, die Eigenschaften für gewünschte Reaktionen anpassen zu können. „Der Einsatz muss somit nicht auf die Sauerstoffreduktion beschränkt sein“, so Ludwig. Das Forscherteam hat bereits ein Patent angemeldet.
Noch ist das komplexe Zusammenwirken der Elemente allerdings nicht komplett verstanden, sodass die Forscher noch keine Katalysatoren gezielt entwickeln können. „Diese Forschung legt den Grundstein für weitere Untersuchungen zum besseren Verständnis und stellt Hochentropielegierungen aus mehreren Elementen als neue Katalysatorklasse vor“, betonen die Forscher.
Originalveröffentlichung
Meistgelesene News
Originalveröffentlichung
Tobias Löffler, Hajo Meyer, Alan Savan, Patrick Wilde, Alba Garzón Manjón, Yen Ting Chen, Edgar Ventosa, Christina Scheu, Alfred Ludwig, Wolfgang Schuhmann; "Discovery of a multinary noble metal free oxygen reduction catalyst"; Advanced Energy Materials; 2018
Themen
Organisationen
Weitere News aus dem Ressort Wissenschaft
Diese Produkte könnten Sie interessieren

NANOPHOX CS von Sympatec
Partikelgrößenanalyse im Nanobereich: Hohe Konzentrationen problemlos analysieren
Zuverlässige Ergebnisse ohne aufwändige Probenvorbereitung

DynaPro Plate Reader III von Wyatt Technology
Screening von Biopharmazeutika und anderen Proteinen mit automatisierter dynamischer Lichtstreuung
Hochdurchsatz-DLS/SLS-Messungen von Lead Discovery bis Qualitätskontrolle

Eclipse von Wyatt Technology
FFF-MALS System zur Trennung und Charakterisierung von Makromolekülen und Nanopartikeln
Neuestes FFF-MALS-System entwickelt für höchste Benutzerfreundlichkeit, Robustheit und Datenqualität

Holen Sie sich die Chemie-Branche in Ihren Posteingang
Mit dem Absenden des Formulars willigen Sie ein, dass Ihnen die LUMITOS AG den oder die oben ausgewählten Newsletter per E-Mail zusendet. Ihre Daten werden nicht an Dritte weitergegeben. Die Speicherung und Verarbeitung Ihrer Daten durch die LUMITOS AG erfolgt auf Basis unserer Datenschutzerklärung. LUMITOS darf Sie zum Zwecke der Werbung oder der Markt- und Meinungsforschung per E-Mail kontaktieren. Ihre Einwilligung können Sie jederzeit ohne Angabe von Gründen gegenüber der LUMITOS AG, Ernst-Augustin-Str. 2, 12489 Berlin oder per E-Mail unter widerruf@lumitos.com mit Wirkung für die Zukunft widerrufen. Zudem ist in jeder E-Mail ein Link zur Abbestellung des entsprechenden Newsletters enthalten.
Meistgelesene News
Weitere News von unseren anderen Portalen
Zuletzt betrachtete Inhalte

Erfolgsfaktor Talent: Fachkräftemangel als zentrales Problem für Startups in Deutschland - Aktuell rund 20 Prozent offene Stellen im Startup-Ökosystem

Soemer Messtechnik GmbH - Lennestadt, Deutschland
