Rätsel des platinarmen Nanokatalysators gelüftet
Neuartige Nanopartikel-Katalysatoren könnten die Kosten für Brennstoffzellen dramatisch reduzieren. Ein von Berliner und Jülicher Forschern entwickelter Katalysator kommt mit einem Zehntel der üblichen Platinmenge aus. Doch wie die oktaedrische Form der Partikel und die besondere Verteilung der Elemente zustande kommen, war bisher unklar. Mithilfe ultrahochauflösender Elektronenmikroskopie konnten die Wissenschaftler nun erstmals zeigen, dass das kristalline Wachstum in unterschiedlichen Stufen verläuft. Die Erkenntnisse könnten helfen, die bislang noch kurze Lebensdauer zu verbessern.
Berliner und Jülicher Forscher konnten mithilfe ultrahochauflösender Elektronenmikroskopie zeigen, dass das kristalline Wachstum von neuartigen Katalysatorpartikeln für Brennstoffzellen in mehreren Stufen verläuft. Zunächst bildet sich ein kugelförmiges Gebilde (links), daraus wächst ein so genannter „Hexapod“ (Mitte), der vorwiegend aus Platinatomen (rot) besteht, und in der letzten Phase des Wachstums lagern sich bevorzugt Nickelatome (grün) in den Hohlräumen zwischen den sechs Armen an und komplettieren die Oktaederform (rechts). Am Ende sind die Nickel- und Platinatome nicht gleichmäßig im Katalysatorpartikel verteilt.
Forschungszentrum Jülich/TU Berlin
Mit einer Größe von zehn Nanometern sind die Teilchen des hocheffizienten Katalysatormaterials ungefähr zehntausendmal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Charakteristisch ist ihre Form, die einem Oktaeder – zwei an den Grundflächen aneinandergesetzten Pyramiden – entspricht.
Auf welche Weise sich die Oktaederform während des Wachstums ausbildet und wie sich dabei die Elemente der Platin-Nickel- oder auch Platin-Kobalt-Legierung verteilen, war bislang völlig unbekannt. Diese Informationen sind jedoch entscheidend um Katalysator-Nanopartikel mit optimaler Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit herzustellen.
„Aktivität und Stabilität der Partikel hängen entscheidend davon ab, wie die Elemente im Katalysatormaterial verteilt sind. Hierbei kann schon eine einzelne atomare Lage einen großen Unterschied bewirken“, erläutert Dr. Marc Heggen vom Ernst Ruska-Centrum (ER-C) und vom Jülicher Peter Grünberg Institut. Wie die Forscher des Forschungszentrums Jülich, der Technischen Universität Berlin und der Tsinghua Universität in China herausfanden, wachsen die kristallinen Katalysatorteilchen nicht gleichmäßig, sondern in mehreren Stufen.
Zunächst bildet sich, ausgehend von einem kugelförmigen Keim, innerhalb weniger Stunden ein kreuzförmiges Grundgerüst mit sechs Spitzen, das nahezu ausschließlich aus Platinatomen entsteht. Anschließend lagern sich in einem sehr viel langsameren Wachstumsschritt vorwiegend Nickel- oder Kobaltatome in den entstandenen Mulden an. Wenn die Oberflächen des Oktaeders glatt aufgefüllt sind, stoppt das Wachstum. Die Form gilt für diese Art Katalysatoren als ideal, weil die chemischen Reaktionen an den Oberflächen besonders effektiv ablaufen.
Die Ungleichverteilung der Elemente während des Wachstums bleibt im Oktaeder erhalten und hat entscheidenden Einfluss auf sein katalytisches Verhalten. „Dass wir nun genauer verstehen, wie solche binären Partikel bei der Herstellung wachsen, wird dabei helfen, die Effizienz und Stabilität schon bald weiter zu verbessern“, ist sich Heggen sicher.
Um mit atomarer Genauigkeit zu erkennen, wo sich welches Element befindet, nutzten die Forscher eines der weltweit höchstauflösenden Elektronenmikroskope am ER-C, einer Einrichtung der Jülich Aachen Research Alliance. Dabei wird der Elektronenstrahl fein gebündelt durch die Probe geschickt. Durch die Wechselwirkungen mit der Probe verliert er einen Teil seiner Energie, wodurch jedes Element in der Probe wie mit einem Fingerabdruck eine charakteristische Spur hinterlässt. Herkömmliche Elektronenmikroskope können solche chemischen Signaturen nicht mit atomarer Auflösung erkennen.
Originalveröffentlichung
Element-specific anisotropic growth of shaped platinum alloy nanocrystals; L. Gan, C. Cui, M. Heggen, F. Dionigi, S. Rudi, P. Strasser; Science, will be published online: 19. December 2014
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