Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Katalyse: Hohe Reaktionsraten auch ohne Edelmetalle

19.06.2019

Edelmetallfreie Nanopartikel könnten eines Tages teure Katalysatoren für die Wasserstoffproduktion ersetzen. Welche Reaktionsraten sie erreichen können, ist allerdings oft schwer zu bestimmen, insbesondere wenn es sich um Oxidpartikel handelt. Denn die Partikel müssen mit einem Bindemittel und leitfähigen Zusätzen an der Elektrode befestigt werden, was die Ergebnisse verzerrt. Mithilfe elektrochemischer Analysen einzelner Partikel ist es Forscherinnen und Forschern nun gelungen, die Aktivität und den Stoffumsatz von Nanokatalysatoren aus Cobalt-Eisenoxid zu bestimmen – und zwar ohne Bindemittel.

Das Team um Prof. Dr. Kristina Tschulik von der Ruhr-Universität Bochum berichtet gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen von der Universität Duisburg-Essen und aus Dresden im Journal of the American Chemical Society, online veröffentlicht am 30. Mai 2019.


In dieser abgeschirmten Zelle testet Abdelilah El Arrassi die Nanopartikel in elektrochemischen Experimenten.

© RUB, Kramer (Dieses Foto darf nur für eine Berichterstattung mit Bezug zur Ruhr-Universität Bochum im Kontext dieser Presseinformation verwendet werden.)


Das Bochumer Forschungsteam: Kristina Tschulik, Abdelilah El Arrassi, Niclas Blanc, Mathies Evers und Zhibin Liu (von links)

© RUB, Kramer (Dieses Foto darf nur für eine Berichterstattung mit Bezug zur Ruhr-Universität Bochum im Kontext dieser Presseinformation verwendet werden.)

„Die Entwicklung edelmetallfreier Katalysatoren spielt bei der Realisierung der Energiewende eine entscheidende Rolle, da nur sie kostengünstig und zahlreich genug verfügbar sind, um erneuerbare Brennstoffe in der benötigten Menge zu produzieren“, sagt Kristina Tschulik, Mitglied im Exzellenzcluster Ruhr Explores Solvation, kurz Resolv.

Wasserstoff, ein vielversprechender Energieträger, kann durch Elektrolyse, also durch die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gewonnen werden. Der limitierende Faktor dabei ist bislang die Teilreaktion, in der Sauerstoff entsteht.

Besser als aktuelle industriell erzielte Reaktionsraten

Wie effizient Cobalt-Eisenoxid-Partikel die Sauerstoffentwicklung katalysieren können, untersuchten die Forscherinnen und Forscher in der aktuellen Arbeit.

Sie analysierten viele einzelne Partikel nacheinander. An der Elektrodenoberfläche ließen die Chemiker ein Partikel die Sauerstoffentwicklung katalysieren und maßen den dabei entstehenden Stromfluss, welcher Aufschluss über die Reaktionsrate gibt.

„Wir haben Stromdichten von mehreren Kiloampere pro Quadratmeter gemessen“, so Tschulik. „Das liegt oberhalb der derzeit industriell möglichen Reaktionsraten.“

Das Team zeigte, dass für Partikel unter zehn Nanometern Größe der Stromfluss von der Partikelgröße abhängt – je kleiner der Katalysatorpartikel war, desto kleiner der Stromfluss. Außerdem wird der Stromfluss durch den Sauerstoff begrenzt, der in der Reaktion entsteht und von der Partikeloberfläche wegdiffundiert.

Extrem stabil trotz hoher Belastung

Nach den Katalyseexperimenten betrachteten die Chemiker die Katalysatorpartikel unter dem Transmissionselektronenmikroskop. „Trotz der hohen Reaktionsraten, also obwohl die Partikel so viel Sauerstoff erzeugt hatten, veränderten sie sich kaum“, resümiert Tschulik. „Die Stabilität unter extremen Bedingungen ist ausgezeichnet.“

Der in der aktuellen Arbeit verwendete Analyseansatz ist auch auf andere Elektrokatalysatoren übertragbar. „Mehr über die Aktivitäten von Nanokatalysatoren zu erfahren ist unabdingbar, um edelmetallfreie Katalysatoren für erneuerbare Energietechnologien von morgen effizient weiterentwickeln zu können“, so die Bochumer Chemikerin.

Um den Einfluss der Größe auf die katalytische Aktivität genau untersuchen zu können, ist es wichtig, die Nanopartikel in definierten Größen produzieren zu können. Im Rahmen der Universitätsallianz Ruhr kooperiert das Bochumer Team daher eng mit Forschern der Universität Duisburg-Essen um Prof. Dr. Stephan Schulz, die die Katalysatorpartikel herstellen.

Die Universitätsallianz Ruhr

Seit 2007 arbeiten die drei Ruhrgebietsuniversitäten unter dem Dach der Universitätsallianz Ruhr (UA Ruhr) strategisch eng zusammen. Durch Bündelung der Kräfte werden die Leistungen der Partneruniversitäten systematisch ausgebaut. Unter dem Motto „gemeinsam besser“ gibt es inzwischen über 100 Kooperationen in Forschung, Lehre und Verwaltung. Mit mehr als 120.000 Studierenden und nahezu 1.300 Professorinnen und Professoren gehört die UA Ruhr zu den größten und leistungsstärksten Wissenschaftsstandorten Deutschlands.

Förderung

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft förderte die Arbeiten im Rahmen des Exzellenzclusters Resolv (EXC 2033) und des Sonderforschungsbereichs/Transregio (TRR247). Weitere Unterstützung kam vom Land Nordrhein-Westfalen durch das NRW-Rückkehrprogramm, das Avicenna-Studienwerk und das China Scholarship Council (201706060204).

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Kristina Tschulik
Lehrstuhl für Analytische Chemie II
Fakultät für Chemie und Biochemie
Ruhr-Universität Bochum
Tel.: 0234 32 29433
E-Mail: nanoec@rub.de

Originalpublikation:

Abdelilah El Arrassi et al.: Intrinsic activity of oxygen evolution catalysts probed at single CoFe2O4 nanoparticles, in: Journal of the American Chemical Society, 2019, DOI: 10.1021/jacs.9b04516

Weitere Informationen:

https://news.rub.de/wissenschaft/2019-02-27-chemie-den-star-unter-den-nanopartik... Artikel im Wissenschaftsmagazin Rubin zu Nanopartikeln

Dr. Julia Weiler | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.ruhr-uni-bochum.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Beleuchtung von Höhlen vertreibt Fledermäuse – die Farbe des Lichts spielt nur untergeordnete Rolle
11.12.2019 | Forschungsverbund Berlin e.V.

nachricht Molekulare Milch-Mayonnaise: Wie Mundgefühl und mikroskopische Eigenschaften bei Mayonnaise zusammenhängen
11.12.2019 | Max-Planck-Institut für Polymerforschung

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: Hochgeladenes Ion bahnt den Weg zu neuer Physik

In einer experimentell-theoretischen Gemeinschaftsarbeit hat am Heidelberger MPI für Kernphysik ein internationales Physiker-Team erstmals eine Orbitalkreuzung im hochgeladenen Ion Pr9+ nachgewiesen. Mittels einer Elektronenstrahl-Ionenfalle haben sie optische Spektren aufgenommen und anhand von Atomstrukturrechnungen analysiert. Ein hierfür erwarteter Übergang von nHz-Breite wurde identifiziert und seine Energie mit hoher Präzision bestimmt. Die Theorie sagt für diese „Uhrenlinie“ eine sehr große Empfindlichkeit auf neue Physik und zugleich eine extrem geringe Anfälligkeit gegenüber externen Störungen voraus, was sie zu einem einzigartigen Kandidaten zukünftiger Präzisionsstudien macht.

Laserspektroskopie neutraler Atome und einfach geladener Ionen hat während der vergangenen Jahrzehnte Dank einer Serie technologischer Fortschritte eine...

Im Focus: Highly charged ion paves the way towards new physics

In a joint experimental and theoretical work performed at the Heidelberg Max Planck Institute for Nuclear Physics, an international team of physicists detected for the first time an orbital crossing in the highly charged ion Pr⁹⁺. Optical spectra were recorded employing an electron beam ion trap and analysed with the aid of atomic structure calculations. A proposed nHz-wide transition has been identified and its energy was determined with high precision. Theory predicts a very high sensitivity to new physics and extremely low susceptibility to external perturbations for this “clock line” making it a unique candidate for proposed precision studies.

Laser spectroscopy of neutral atoms and singly charged ions has reached astonishing precision by merit of a chain of technological advances during the past...

Im Focus: Ultrafast stimulated emission microscopy of single nanocrystals in Science

The ability to investigate the dynamics of single particle at the nano-scale and femtosecond level remained an unfathomed dream for years. It was not until the dawn of the 21st century that nanotechnology and femtoscience gradually merged together and the first ultrafast microscopy of individual quantum dots (QDs) and molecules was accomplished.

Ultrafast microscopy studies entirely rely on detecting nanoparticles or single molecules with luminescence techniques, which require efficient emitters to...

Im Focus: Wie Graphen-Nanostrukturen magnetisch werden

Graphen, eine zweidimensionale Struktur aus Kohlenstoff, ist ein Material mit hervorragenden mechanischen, elektronischen und optischen Eigenschaften. Doch für magnetische Anwendungen schien es bislang nicht nutzbar. Forschern der Empa ist es gemeinsam mit internationalen Partnern nun gelungen, ein in den 1970er Jahren vorhergesagtes Molekül zu synthetisieren, welches beweist, dass Graphen-Nanostrukturen in ganz bestimmten Formen magnetische Eigenschaften aufweisen, die künftige spintronische Anwendungen erlauben könnten. Die Ergebnisse sind eben im renommierten Fachmagazin Nature Nanotechnology erschienen.

Graphen-Nanostrukturen (auch Nanographene genannt) können, je nach Form und Ausrichtung der Ränder, ganz unterschiedliche Eigenschaften besitzen - zum Beispiel...

Im Focus: How to induce magnetism in graphene

Graphene, a two-dimensional structure made of carbon, is a material with excellent mechanical, electronic and optical properties. However, it did not seem suitable for magnetic applications. Together with international partners, Empa researchers have now succeeded in synthesizing a unique nanographene predicted in the 1970s, which conclusively demonstrates that carbon in very specific forms has magnetic properties that could permit future spintronic applications. The results have just been published in the renowned journal Nature Nanotechnology.

Depending on the shape and orientation of their edges, graphene nanostructures (also known as nanographenes) can have very different properties – for example,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Analyse internationaler Finanzmärkte

10.12.2019 | Veranstaltungen

QURATOR 2020 – weltweit erste Konferenz für Kuratierungstechnologien

04.12.2019 | Veranstaltungen

Die Zukunft der Arbeit

03.12.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Kein Seemannsgarn: Hochseeschifffahrt soll schadstoffärmer werden

11.12.2019 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Vernetzte Produktion in Echtzeit: Deutsch-schwedisches Testbed geht in die zweite Phase

11.12.2019 | Informationstechnologie

Verbesserte Architekturgläser durch Plasmabehandlung – Reinigung, Vorbehandlung & Haftungssteigerung

11.12.2019 | Architektur Bauwesen

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics