Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Rätsel des platinarmen Nanokatalysators geklärt

19.12.2014

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. (Science, DOI: 10.1126/science.1261212)

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.


Ultrahochauflösende Elektronenmikroskopie gibt Einblick in die verschiedenen Stufen des Wachstums von neuartigen Katalysatorpartikeln für Brennstoffzellen.

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; DOI: 10.1126/science.1261212

Bild:
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.
Quelle: Forschungszentrum Jülich/TU Berlin

Ansprechpartner:
Dr. Marc Heggen, Forschungszentrum Jülich, Mikrostrukturforschung (PGI-5), Tel. 02461 61-9479, E-Mail: m.heggen@fz-juelich.de

Prof. Dr. Peter Strasser, Technische Universität Berlin, Institut für Chemie, Tel. 030 314-22261, E-Mail: pstrasser@tu-berlin.de

Pressekontakt:
Angela Wenzik, Wissenschaftsjournalistin, Forschungszentrum Jülich, Tel. 02461 61-6048, E-Mail: a.wenzik@fz-juelich.de

Dipl.-Biologin Annette Stettien | Forschungszentrum Jülich

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Individualisierte Faserkomponenten für den Weltmarkt
22.06.2017 | Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH)

nachricht Innovative High Power LED Light Engine für den UV Bereich
22.06.2017 | Omicron - Laserage Laserprodukte GmbH

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Im Focus: Die Schweiz in Pole-Position in der neuen ESA-Mission

Die Europäische Weltraumagentur ESA gab heute grünes Licht für die industrielle Produktion von PLATO, der grössten europäischen wissenschaftlichen Mission zu Exoplaneten. Partner dieser Mission sind die Universitäten Bern und Genf.

Die Europäische Weltraumagentur ESA lanciert heute PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars), die grösste europäische wissenschaftliche Mission zur...

Im Focus: Forscher entschlüsseln erstmals intaktes Virus atomgenau mit Röntgenlaser

Bahnbrechende Untersuchungsmethode beschleunigt Proteinanalyse um ein Vielfaches

Ein internationales Forscherteam hat erstmals mit einem Röntgenlaser die atomgenaue Struktur eines intakten Viruspartikels entschlüsselt. Die verwendete...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

„Fit für die Industrie 4.0“ – Tagung von Hochschule Darmstadt und Schader-Stiftung am 27. Juni

22.06.2017 | Veranstaltungen

Forschung zu Stressbewältigung wird diskutiert

21.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Individualisierte Faserkomponenten für den Weltmarkt

22.06.2017 | Physik Astronomie

Evolutionsbiologie: Wie die Zellen zu ihren Kraftwerken kamen

22.06.2017 | Biowissenschaften Chemie

Spinflüssigkeiten – zurück zu den Anfängen

22.06.2017 | Physik Astronomie