Edelmetallfreies Katalysatorsystem so aktiv wie Platin

Das Forscherteam Tobias Löffler, Alan Savan, Alfred Ludwig und Wolfgang Schuhmann (von links) vor der kombinatorischen Sputteranlage, in der die Nanopartikelbibliotheken hergestellt wurden RUB, Kramer

Neue Nachbarn bilden aktive Zentren

Die katalytischen Eigenschaften von Nichtedelmetall-Elementen und deren Legierungen sind normalerweise schlecht. Zur Überraschung der Forscher zeigt aber eine Legierung aus fünf nahezu gleichmäßig vertretenen Komponenten deutlich verbesserte Eigenschaften. Grund dafür ist der sogenannte Hochentropieeffekt. Er führt dazu, dass mehrkomponentige Legierungen eine einfache Kristallstruktur behalten.

„Durch das Zusammenwirken der verschiedenen benachbarten Elemente bilden sich neue aktive Zentren aus, die komplett neue Eigenschaften aufweisen und somit nicht mehr an die limitierenden Eigenschaften der einzelnen Elemente gebunden sind“, erklärt Tobias Löffler, Doktorand am RUB-Lehrstuhl für Analytische Chemie – Zentrum für Elektrochemie von Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann. „Unsere Arbeit zeigt, dass diese Legierungen auch für die Katalyse hochinteressant sind.“

Legierungs-Nanopartikelbibliotheken herstellen

Auf der Suche nach einer Alternative zu Platin stellten die Forscher am Lehrstuhl für Werkstoffe der Mikrotechnik der RUB von Prof. Dr. Alfred Ludwig mittels einer speziellen Methode Legierungs-Nanopartikelbibliotheken aus fünf Ausgangselementen her. Deren Atome vermischen sich im Plasma und bilden in einem Substrat aus ionischer Flüssigkeit Nanopartikel. Die Flüssigkeit befindet sich in kleinen Vertiefungen auf einem Träger.

Liegen die Nanopartikel in der Nähe der jeweiligen Atomquelle, ist der Anteil der Atome aus dieser Quelle im Partikel jeweils höher. In der Mitte des Trägers sind die Anteile aller fünf Elemente ungefähr gleich groß. „Dank dieses kombinatorischen Verfahrens haben wir präzise Kontrolle über die Zusammensetzung der Legierungsnanopartikel an jeder Stelle der Materialbibliothek“, so Alfred Ludwig.

Zusammensetzung optimiert

Die so entstandenen Nanopartikel untersuchte das Forscherteam des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung um Prof. Dr. Christina Scheu mittels Transmissionselektronenmikroskopie. Die Chemiker der RUB ermittelten ihre katalytische Aktivität und verglichen sie mit der von Platinnanopartikeln.

So fanden sie ein System aus fünf Elementen, bei dem der Hochentropieeffekt eine katalytische Aktivität für die Sauerstoffreduktion bewirkt, die vergleichbar mit der von Platin ist. Indem sie die Zusammensetzung optimierten, konnten sie die Aktivität sogar noch weiter steigern.

Weitreichende Auswirkungen auf die Elektrokatalyse

„Diese Erkenntnis hat möglicherweise weitreichende Auswirkungen auf die Elektrokatalyse generell“, schätzt Wolfgang Schuhmann. Die Forscher hoffen, dank der nahezu unerschöpflichen Kombinationsmöglichkeiten von Elementen und der Modifizierung ihrer Zusammensetzung, die Eigenschaften für gewünschte Reaktionen anpassen zu können.

„Der Einsatz muss somit nicht auf die Sauerstoffreduktion beschränkt sein“, so Ludwig. Das Forscherteam hat bereits ein Patent angemeldet.

Noch ist das komplexe Zusammenwirken der Elemente allerdings nicht komplett verstanden, sodass die Forscher noch keine Katalysatoren gezielt entwickeln können. „Diese Forschung legt den Grundstein für weitere Untersuchungen zum besseren Verständnis und stellt Hochentropielegierungen aus mehreren Elementen als neue Katalysatorklasse vor“, betonen die Forscher.

Förderung

Die Arbeiten wurden gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Projekte NEMEZU (FKZ 03SF0497B) und Mangan (FKZ 03EK3548) sowie von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (LU1175/23-1, SCHE634/21-1, Exploring Multinary Nanoparticles by Combinatorial Sputtering into Ionic Liquids and Advanced Transmission Electron Microscopy) sowie im Rahmen des Transregio Sonderforschungsbereichs CRC247 und dem Cluster of Excellence Ruhr explores Solvation, kurz Resolv (EXC1069).

Originalveröffentlichung

Tobias Löffler, Hajo Meyer, Alan Savan, Patrick Wilde, Alba Garzón Manjón, Yen Ting Chen, Edgar Ventosa, Christina Scheu, Alfred Ludwig, Wolfgang Schuhmann: Discovery of a multinary noble metal free oxygen reduction catalyst, in: Advanced Energy Materials, 2018, DOI: 10.1002/aenm.201802269

Pressekontakt

Prof. Dr. Alfred. Ludwig
Werkstoffe der Mikrotechnik
Institut für Werkstoffe
Fakultät für Maschinenbau
Ruhr-Universität Bochum
Tel.: 0234 32 27492
E Mail: alfred.ludwig@rub.de
Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann
Analytische Chemie – Zentrum für Elektrochemie
Fakultät für Chemie und Biochemie
Ruhr-Universität Bochum
Tel.: 0234 32 26200
E-Mail: wolfgang.schuhmann@rub.de

Prof. Dr. Alfred. Ludwig
Werkstoffe der Mikrotechnik
Institut für Werkstoffe
Fakultät für Maschinenbau
Ruhr-Universität Bochum
Tel.: 0234 32 27492
E Mail: alfred.ludwig@rub.de

Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann
Analytische Chemie – Zentrum für Elektrochemie
Fakultät für Chemie und Biochemie
Ruhr-Universität Bochum
Tel.: 0234 32 26200
E-Mail: wolfgang.schuhmann@rub.de

Tobias Löffler, Hajo Meyer, Alan Savan, Patrick Wilde, Alba Garzón Manjón, Yen Ting Chen, Edgar Ventosa, Christina Scheu, Alfred Ludwig, Wolfgang Schuhmann: Discovery of a multinary noble metal free oxygen reduction catalyst, in: Advanced Energy Materials, 2018, DOI: 10.1002/aenm.201802269

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201802269 – Link zum Paper

Media Contact

Meike Drießen idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Informationen:

http://www.ruhr-uni-bochum.de/

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften

Die Materialwissenschaft bezeichnet eine Wissenschaft, die sich mit der Erforschung – d. h. der Entwicklung, der Herstellung und Verarbeitung – von Materialien und Werkstoffen beschäftigt. Biologische oder medizinische Facetten gewinnen in der modernen Ausrichtung zunehmend an Gewicht.

Der innovations report bietet Ihnen hierzu interessante Artikel über die Materialentwicklung und deren Anwendungen, sowie über die Struktur und Eigenschaften neuer Werkstoffe.

Zurück zur Startseite

Kommentare (0)

Schreiben Sie einen Kommentar

Neueste Beiträge

»Life Cycle Assessment« in der additiven Fertigung

Laser Powder Bed Fusion Goes Green! Kunden und Investoren legen zunehmend Wert auf ökologische und nachhaltig hergestellte Produkte. Eine transparente ökologische Bewertung Ihrer Produkte hilft der Industrie und KMU (Kleine…

Ultraschneller Magnetismus: Schnappschuss der Gitterschwingungen

Magnetische Festkörper können mit einem Laserpuls entmagnetisiert werden. Nach diesem Prinzip funktionieren HAMR-Speicher, die bereits auf dem Markt sind. Die mikroskopischen Mechanismen der ultraschnellen Entmagnetisierung sind allerdings noch nicht vollständig…

Neuer kontaktloser Temperatursensor soll zu Energieeinsparungen in Stahlindustrie führen

Die Hochschule Landshut entwickelt ein kontaktloses, schnelles Temperaturmessgerät für die Stahlindustrie, das die Energie- und Produktionskosten senken und die Produktqualität verbessern soll. Um Maschinen oder Werkzeuge herzustellen, braucht es Stahl….

Partner & Förderer