Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Regenerative Energien - Mehr Wasserstoff durch neue Nanopartikel

26.05.2015

Wasserstoff ist ein vielversprechendes Speichermedium für regenerativ erzeugten Strom. LMU-Forscher haben jetzt Eisen-Nickel-Oxid-Nanopartikel synthetisiert, mit deren Hilfe die Wasseroxidation bis zu zehnmal effektiver abläuft.

Die Zukunft der erneuerbaren Energien hängt eng damit zusammen, wie effizient sich der erzeugte Strom speichern lässt. Ein vielversprechendes Speichermedium ist Wasserstoff. Er entsteht mit Hilfe des Stroms aus Wasser und kann je nach Bedarf wieder als Energiequelle genutzt werden.

Seine elektrochemische Herstellung beinhaltet zwei gekoppelte Reaktionen. In der ersten, der Wasseroxidation, entstehen Sauerstoff und freie Elektronen. In der zweiten Reaktion, der Wasserreduktion, bildet sich mit Hilfe dieser Elektronen der Wasserstoff.

Sind ausreichend freie Elektronen vorhanden, läuft dieser zweite Schritt problemlos ab. Der limitierende Faktor ist die Wasseroxidation. Derzeit forschen viele Wissenschaftler an Materialien, den sogenannten Katalysatoren, die diese Reaktion erleichtern sollen.

Ein Team um Thomas Bein, Professor für Physikalische Chemie an der LMU und Koordinator des Bereichs Energiekonversion bei der Nanosystems Initiative Munich (NIM), und Professor Dina Fattakhova-Rohlfing von der LMU und NIM haben jetzt Nanopartikel aus Nickel und Eisen entwickelt, mit deren Hilfe die Wasseroxidation bis zu zehnmal effektiver abläuft als mit vergleichbaren Verbindungen. Zudem sind die Partikel einfach herzustellen, günstig und vielfältig einsetzbar.

Bewusst langsame Synthese

Verantwortlich für den Erfolg sind die Mischung aus Nickel und Eisen, die kristalline Struktur der Partikel und ihre außergewöhnlich geringe Größe. „Mit den herkömmlichen Synthesemethoden entstehen Partikel grundsätzlich in dem thermodynamisch stabilsten Zustand“, erklärt Ksenia Fominykh, Erstautorin der Veröffentlichung.

„In unserer Methode spielt die bewusst langsame Reaktionsgeschwindigkeit die entscheidende Rolle. Denn sie ermöglicht, dass auch weniger stabile, sogenannte metastabile Phasen entstehen und sich dadurch unter anderem außergewöhnliche Mischverhältnisse von Nickel und Eisen in unseren Nanopartikeln bilden können.“

Die Charakterisierung der Struktur und besonders die Eisenverteilung in dermaßen kleinen Teilchen stellt eine große Herausforderung dar und bedarf spezieller analytischer Methoden. In Zusammenarbeit mit den Gruppen von Professor Christina Scheu (MPI Düsseldorf) und Dr. Ivelina Zaharieva (FU Berlin) gelang es den LMU Forschern, die Struktur vollständig aufzuklären.

Vielfach höhere Ausbeute

Die von den Münchner Chemikern entwickelten Partikel weisen eine einheitliche kristalline Struktur auf und sind mit bis zu 1,5 Nanometer Durchmesser außergewöhnlich klein. Entsprechend groß ist daher das Verhältnis Oberfläche zu Volumen, was entscheidend zur hohen katalytischen Aktivität beiträgt.

Wie effektiv ihre Nanopartikel sind, zeigt den NIM-Wissenschaftlern die Anzahl an Sauerstoff-Molekülen, die pro Sekunde und zugänglichem Nickel-Atom gebildet werden. Die Rate liegt zehnmal höher als bei allen bisher in der Literatur beschriebenen Versuchen mit vergleichbaren Nickel-Eisen-basierten Verbindungen.

Die Kombination der sehr großen katalytisch aktiven Oberfläche mit der hohen Kristallinität der Nanoteilchen ist zudem mitverantwortlich dafür, dass die Stuktur auch nach dauerhafter Elektrolyse unter hohen Strömen intakt bleibt. Dies ist besonders wichtig, da Stabilität eines der größten Probleme bei der Entwicklung von Katalysatoren darstellt.

Anwenderfreundliche Nanopartikel

Auch sonst sind die Partikel sehr anwenderfreundlich. Eine Besonderheit der Synthese ist die Entstehung nicht verklumpter Nanokristalle, die als Teilchen-Dispersion vielseitig einsetzbar sind. So lassen sie sich zum Beispiel als elektrochemisch aktive dünne Schicht auf beliebige Unterlagen aufbringen oder alternativ als Einzelteilchen verteilen, was für die Entwicklung von komplexeren katalytischen Systemen erfolgversprechend ist.

„Die außergewöhnlich hohe katalytische Aktivität unserer Nanopartikel zeigt, wie groß der Einfluss von Synthesestrategie und Nanomorphologie auf die Eigenschaften der entstehenden Materialien ist“, erklärt Dina Fattakhova-Rohlfing. „Aktuell arbeiten wir daran, die katalytische Aktivität von Nanomaterialien nicht nur durch die Größe sondern auch durch den gezielten Einbau von Defekten zu erhöhen. Ziel ist die Entwicklung noch effektiverer Materialien für unterschiedliche Energieanwendungen.“

(ACS Nano, DOI: 10.1021/acsnano.5b00520) (NIM, bz)
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.5b00520

Kontakt:
Prof. Dina Fattakhova-Rohlfing
Department Chemie der LMU
Tel.: 089-2180-77604
E-Mail: dina.fattakhova@cup.lmu.de

Prof. Thomas Bein
Department Chemie der LMU
Tel.: 089-2180-77621
E-Mail: bein@lmu.de

Luise Dirscherl | Ludwig-Maximilians-Universität München
Weitere Informationen:
http://www.uni-muenchen.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Alge im Eismeer - Genom einer antarktischen Meeresalge entschlüsselt
23.02.2017 | Universität Konstanz

nachricht Viren unterstützen Fotosynthese bei Bakterien – Vorteil in der Evolution?
23.02.2017 | Technische Universität Kaiserslautern

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Im Focus: Innovative Antikörper für die Tumortherapie

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig von diesen teuren Medikamenten profitieren, wird intensiv an deren Verbesserung gearbeitet. Forschern um Prof. Thomas Valerius an der Christian Albrechts Universität Kiel gelang es nun, innovative Antikörper mit verbesserter Wirkung zu entwickeln.

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - April 2017

23.02.2017 | Veranstaltungen

Wie werden wir gesund alt? - Alternsforscher tagen auf interdisziplinärem Symposium in Magdeburg

23.02.2017 | Veranstaltungen

Luftfahrt der Zukunft

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

In Deutschland wächst die Zahl der Patienten mit Diabetes mellitus

23.02.2017 | Medizin Gesundheit

Viren unterstützen Fotosynthese bei Bakterien – Vorteil in der Evolution?

23.02.2017 | Biowissenschaften Chemie

Katalyse in der Maus

23.02.2017 | Biowissenschaften Chemie