Neuartiges Gefrier-Auftau-Verfahren zur Herstellung von Edelmetallaerogelen für die Elektrokatalyse

Methode macht sich Selbstheilungseigenschaften von Edelmetallgelen und Freeze-Casting zunutze

14.05.2020 - Deutschland

Selbsttragende Architekturen, große Oberflächen und zahlreiche optisch und katalysisch aktive Stellen - Edelmetall-Aerogele (NMAs) versprechen aufgrund ihrer kombinierten Eigenschaften von Edelmetallen und Aerogelen ein beeindruckendes Leistungsvermögen in verschiedenen Bereichen, insbesondere der Elektrokatalyse. Bisher ist die Herstellung dieser neuartigen porösen Materialien jedoch noch von zu langen Herstellungszeiten, unvermeidlichen Verunreinigungen und unkontrollierten Multiskalenstrukturen geprägt, wodurch die Grundlagen- und anwendungsorientierte Forschung erschwert werden.

Chemiker Dr. Ran Du aus China forscht als Alexander von Humboldt-Stipendiat an der TU Dresden intensiv an NMAs. In Zusammenarbeit mit den Dresdner Chemikern Dr. Jan-Ole Joswig und Professor Alexander Eychmüller hat er eine neuartige Gefrier-Auftau-Methode entwickelt, mit der verschiedene mehrskalig strukturierte Edelmetall-Aerogele entwickelt werden können. Diese NMAs fungieren als leistungsstarke Photoelektrokatalysatoren für die Elektrooxidation von Ethanol für eine Anwendung in Brennstoffzellen. Ihre Arbeit wurde nun als Titelstory in der renommierten Zeitschrift Angewandte Chemie International Edition veröffentlicht.

Dr. Ran Du und sein Team hatten bereits in ihren früheren Arbeiten ungewöhnliche Selbstheilungseigenschaften von Edelmetallgelen entdeckt. Inspiriert durch diese Tatsache entwickelten sie eine Gefrier-Auftau-Methode als additivfreien Ansatz zur direkten Destabilisierung verschiedener verdünnter Metallnanopartikel-Lösungen (Konzentration von 0,2-0,5 mM). Beim Einfrieren werden aufgrund von verstärkten Aussalzeffekten verursacht durch lokal stark erhöhte Lösungskonzentrationen große Aggregate erzeugt, die im Mikrometerbereich durch in situ gebildete Eiskristalle geformt werden. Nach dem Auftauen setzen sich die Aggregate ab und fügen sich aufgrund ihrer Selbstheilungseigenschaften zu monolithischen Hydrogelen zusammen, die, gereinigt und getrocknet, die entsprechenden Aerogele liefern.

Aufgrund der hierarchisch porösen Strukturen, der Sauberkeit und der kombinierten katalytischen/optischen Eigenschaften zeigen die resultierenden Gold-Palladium (Au-Pd)-Aerogele eine beeindruckende lichtgetriebene, photoelektrokatalytische Leistung und liefern für die Ethanol-Oxidationsreaktion eine bis zu 6,5-mal höhere Stromdichte als kommerzielles Palladium auf Kohlenstoff (Pd/C).

"Mit der aktuellen Arbeit beschreiben wir einen neuen Weg, um saubere und hierarchisch strukturierte Gelmaterialien direkt aus verdünnten Vorläuferlösungen herzustellen. Dieser neuartige Ansatz ist auf verschiedene Materialsysteme übertragbar, womit das Leistungsvermögen bei der Katalyse und anderen Anwendungen weiter gesteigert werden kann“, erläutert Chemiker Ran Du.

Originalveröffentlichung

Du, R., Joswig, J.-O., Hübner, R., Zhou, L., Wei, W., Hu, Y., Eychmüller, A.; "Freeze-Thaw-Promoted Fabrication of Clean and Hierarchically-Structured Noble Metal Gels for Electrocatalysis and Photoelectrocatalysis"; Angew. Chem. Int. Ed.; 2020

https://www.chemie.de/news/1166284/neuartiges-gefrier-auftau-verfahren-zur-herstellung-von-edelmetallaerogelen-fuer-die-elektrokatalyse.html