Nanometer-Tomographie: kleinste Katalysatorteilchen erblicken

Erstmals konnte ein Forscher-Team von BAM und Helmholtz-Zentrum-Berlin (HZB) kleinste Ruthenium-Katalysatorpartikel für Brennstoffzellen mit bis zu zwei Nanometer Durchmesser durch Elektronen-Tomographie dreidimensional vermessen, um ihre chemisch aktive Oberfläche zu bewerten. Durch die Unterscheidbarkeit der freien von der im Kohlenstoffträger verdeckten Oberfläche kann die Leistungsfähigkeit des Katalysators für den zukünftigen „Strom aus dem Autotank“ optimiert werden.

Ein Katalysator begünstigt chemische Reaktionen, ohne sich selbst zu verbrauchen. Im Falle der Brennstoffzelle erzeugt er aus Wasserstoff die Ladungsträger für den elektrischen Strom. Hier ersetzt Ruthenium das bisher verwendete Platin, das für die Produktion mobiler Brennstoffzellen als unwirtschaftlich gilt und entsprechende Investitionen zurzeit bremst. Die im Vergleich zu Platin geringere katalytische Wirkung des Rutheniums erfordert für die effiziente Nutzung die genaue Erkennung seiner reaktiven Oberfläche durch nanometergenaue räumliche Abbildung.

Diese Aufgabe haben die Wissenschaftler im BMBF-Projekt RuN-PEM gelöst und darüber jetzt im renommierten „Journal of the American Chemical Society“ (JACS) berichtet [1]. Dazu wurden Katalysatoren funktionsgerecht auf einer Carbon-Matrix präpariert und im Transmissions-Elektronenmikroskop durchstrahlt. Im Unterschied zur konventionellen (zweidimensionalen) Mikroskopie erfordert das tomographische 3D-Verfahren die Durchstrahlung unter vielen Rotationswinkeln. Die resultierenden Projektionen sind jedoch unvermeidlich „verzerrt“ und unvollständig. Auch nach einer Entzerrung der Projektionen mittels markanter Referenzteilchen aus Gold wird die Rekonstruktion der tomographischen Schnittbilder mit konventionellen mathematischen Methoden zu unscharf. Derzeit wird nur mit dem an der BAM entwickelten Algorithmus DIRECTT (Direkte iterative Rekonstruktion von Computer-tomographischen Trajektorien) durch computertomographische Rekonstruktion die 3D-Abbildung mit etwa einem Nanometer Genauigkeit erreicht, sodass eine präzise Bestimmung der spezifischen Oberfläche der elliptisch geformten Katalysator-Partikel ermöglicht wird.

Vor allem unter Nutzung des Rekonstruktions-Algorithmus DIRECTT kann die Elekt-ronentomographie die Erforschung des neuen technischen Katalysatortyps entschei¬dend vorantreiben.

[1]
R. Grothausmann, G. Zehl, I. Manke, S. Fiechter, P. Bogdanoff, I. Dorbandt, A. Kupsch, A. Lange, M.P. Hentschel, G. Schumacher, J. Banhart: Quantitative Structural Assessment of Heterogeneous Catalysts by Electron Tomography, J. Am. Chem. Soc. 133 (45) (2011), 18161-18171, DOI: 10.1021/ja2032508.
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