Elektrokatalyse unter dem Rasterkraftmikroskop

Das Prinzip der korrelativen Rasterkraftmikroskopie: Eine feine Spitze am Ende eines Federbalkens tastet die Oberfläche ab. Dadurch lassen sich Kraftwechselwirkungen zwischen Spitze und Probenoberfläche messen, einschließlich der Reibungskräfte.
(c) M. Munz /FHI / HZB

Eine Weiterentwicklung der Rasterkraftmikroskopie macht es nun möglich, das Höhenprofil nanometerfeiner Strukturen sowie den elektrischen Strom und die Reibungskraft an fest-flüssig Grenzflächen zeitgleich abzubilden.

Damit gelang es einem Team am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) sowie am Fritz-Haber-Institut (FHI) der Max-Planck-Gesellschaft, elektrokatalytisch aktive Materialien zu analysieren und Einblicke zu gewinnen, die für die Katalysatoroptimierung hilfreich sind. Die Methode eignet sich darüber hinaus auch, um Prozesse an Batterieelektroden, bei der Photokatalyse oder an aktiven Biomaterialien zu untersuchen.

Um die Energiewende zu meistern, kommt es auch darauf an, günstige und effiziente Materialien zu entwickeln, die für die Aufspaltung von Wasser oder CO2 durch Elektrokatalyse eingesetzt werden können. Dabei wird ein Teil der elektrischen Energie in den chemischen Reaktionsprodukten gespeichert. Wie effizient solche Elektrokatalysatoren ihre Aufgabe erfüllen, hängt stark davon ab, wie Grenzflächen zwischen Elektroden und Elektrolyt beschaffen sind: Es handelt sich dabei um Grenzflächen zwischen den festen Elektroden und dem typischerweise wässrigen Elektrolyten. Doch eine ortsaufgelöste physikalische Untersuchung solcher fest-flüssig-Grenzflächen war bisher kaum verfügbar.

Dr. Christopher S. Kley hat nun mit seinem Team einen neuen Ansatz für die korrelative Rasterkraftmikroskopie entwickelt. Hierbei wird eine extrem scharfe Spitze berührend über die Oberfäche gerastert und deren Höhenprofil aufgezeichnet. Mit der am Ende eines miniaturisierten Federbalkens angebrachten Spitze lassen sich die Kraftwechselwirkungen zwischen Spitze und Probenoberfläche mit hoher Empfindlichkeit messen, einschließlich der Reibungskräfte. Außerdem kann der durch den mechanischen Kontakt fließende elektrische Strom gemessen werden, sofern eine Spannung anliegt. „Damit konnten wir in situ (also unter relevanten Flüssigphasen-Bedingungen, statt im Vakuum oder an der Luft) die elektrische Leitfähigkeit, die mechanisch-chemische Reibung und die morphologischen Eigenschaften bestimmen, und zwar zeitgleich“, betont Kley.

Mit dieser Methode untersuchte die Gruppe in Zusammenarbeit mit Prof. Beatriz Roldán Cuenya vom Fritz-Haber-Institut (FHI) nun einen nanostrukturierten und bimetallischen Kupfer-Gold-Elektrokatalysator. Solche Materialien werden beispielsweise für die elektrokatalytische Umwandlung von CO2 in Energieträger eingesetzt. „Wir konnten sehr deutlich Inseln aus Kupferoxid identifizieren, die einen höheren elektrischen Widerstand aufweisen, aber auch Korngrenzen und niedrigleitende Bereiche in der Hydratationsschicht, wo die Katalysatoroberfläche mit dem wässrigen Elektrolyten in Berührung kommt“, sagt Dr. Martin Munz, Erstautor der Studie.

Solche Ergebnisse zu Katalysator-Elektrolyt-Grenzflächen helfen, diese gezielt zu optimieren. „Wir können nun beobachten, wie lokale elektrochemische Umgebungen den Ladungstransfer an der Grenzfläche beeinflussen“, sagt Kley.

„Unsere Ergebnisse sind aber auch generell für die Energieforschung von Interesse, insbesondere die Forschung an elektrochemischen Umwandlungsprozessen, die unter anderem in Batteriesystemen eine Rolle spielen“. Einsichten in fest-flüssig-Grenzflächen können aber auch in ganz anderen Forschungsgebieten hilfreich sein, zum Beispiel für das Verständnis von Korrosionsprozessen, Nanosensorik-Systemen, bis hin zu Fragestellungen in der Fluidik und den Umweltwissenschaften, beispielsweise Auflösungs- oder Ablagerungsprozesse an Metalloberflächen.

Hinweis: Die Weiterentwicklung dieser Messmethode erfolgte im Rahmen des CatLab – Projekts, in dem Teams aus HZB und FHI gemeinsam an der Entwicklung von Dünnschicht-Katalysatoren für die Energiewende arbeiten.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Christopher Kley,
Nachwuchsgruppe Nanoskalige Operando CO2 Photo-Elektrokatalyse
christopher.kley@helmholtz-berlin.de

Originalpublikation:

Journal of the American Chemical Society (2023): Nanoscale electron transfer variations at electrocatalyst-electrolyte interfaces resolved by in situ conductive atomic force microscopy; M. Munz, J. Poon, W. Frandsen, B. Roldan Cuenya, C.S. Kley

DOI: 10.1021/jacs.2c12617
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c12617

http://www.helmholtz-berlin.de/

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