Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Preiswerte Katalysatoren finden und verstehen: Auf das Eisen kommt es an

24.03.2017

Ein Team hat mehr als hundert Eisen-Nickel-Katalysatoren mit unterschiedlichen Beimischungen von Chrom untersucht. Dabei analysierten sie an BESSY II auch die elektronischen Strukturen der einzelnen Elemente. Sie zeigten, dass ein steigender Chromanteil vor allem die elektronische Struktur des Eisens beeinflusst, die wichtig für die Wirkung als Katalysator ist. Die Ergebnisse dieser Hochdurchsatzstudie helfen bei der wissensbasierten und gezielten Suche nach besseren Katalysatoren.

Katalysatoren können chemische Reaktionen beschleunigen, bleiben selbst dabei jedoch unverändert. Sie werden für viele Reaktionen benötigt, auch wenn man mit Sonnenlicht Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spalten will, um die Sonnenenergie chemisch abzuspeichern.


Die Abbildung zeigt, dass Beimischungen von Chrom die katalytische Wirkung erhöhen (sichtbar an der Stromdichte, die von rot zu grün ansteigt).

HZB/RUB

Doch die besten Katalysatoren für diese Reaktion bestehen immer noch aus Platin oder anderen seltenen Elementen. Damit sind sie zu teuer für einen breiten Einsatz. Überall suchen daher Forschungsteams nach Alternativen.

Doch wie findet man eigentlich neue gute Katalysatoren? Und warum sind manche Materialien ein besserer Katalysator als andere, obwohl sie sich vielleicht in ihrer Zusammensetzung nur geringfügig unterscheiden? Zusammen mit ihren Partnern von der Universität Bochum hat sich das Team um Prof. Dr. Kathrin Aziz-Lange, Nachwuchsgruppe Operando Characterization of Solar Fuel Materials, dieser Fragestellung gewidmet.

Reaktionsgeschwindigkeiten gemessen

Sie wählten dafür ein Materialsystem aus Eisen, Nickel und Sauerstoff, das derzeit als besonders vielversprechender Kandidat für Katalysatoren gilt. Dann mischten sie als drittes Metall Chrom hinzu, welches die Effizienz noch erhöhen kann. Sie stellten jedoch nicht nur ein Material her, sondern eine ganze „Materialbibliothek“, in welcher die Zusammensetzung der drei Metalle fließend variierte, insgesamt über hundert Proben. Damit konnten sie dann empirisch herausfinden, wie das Einbringen von Chrom in den Katalysator die Reaktionsgeschwindigkeit verändert und welche Materialstrukturen höhere Geschwindigkeiten ermöglichen.

Elektronische Strukturen an BESSY II untersucht

Bei allen Proben bestimmten sie die Leistungsfähigkeit der Katalysatoren (siehe Abbildung). Parallel dazu untersuchten sie mit spektroskopischen Methoden an der Berliner Synchrotronquelle BESSY II die elektronischen Strukturen der einzelnen Elemente, die mit der katalytischen Aktivität im Zusammenhang stehen. „Insgesamt haben wir mehr als 500 Spektren von der Materialbibliothek aufgenommen“, erklärt Christoph Schwanke, der diese Messungen im Rahmen seiner Doktorarbeit durchgeführt hat.

Chrom beeinflusst elektronische Struktur um Eisen

Die Ergebnisse dieser Hochdurchsatzstudie zeigen, dass sich die elektronischen Strukturen um Nickel und Chrom bei steigendem Chromgehalt kaum verändern. Allerdings verändert der steigende Chromanteil die Energielevel der Elektronen des Eisens. „Wir konnten beobachten, dass die Leistungsfähigkeit des Katalysators mit einer bestimmten elektronischen Struktur des Eisens einhergeht “, erklärt Kathrin Aziz-Lange. „Dies ist eine wichtige Information, nicht nur zum tieferen Verständnis von katalytischen Materialien, sondern auch für die gezielte Synthese von guten Katalysatoren.“

Systematische Optimierung möglich

Die Studie gibt Hinweise für die systematische und wissensbasierte Entwicklung von neuen Katalysatoren. Die kombinatorische Materialforschung erlaubt hierbei, sehr viele Materialien in kurzer Zeit zu untersuchen und dabei die Kandidaten zu identifizieren, die besonders vielversprechend sind.

Kontakt:
Prof. Dr. Kathrin Aziz-Lange
E-Mail: kathrin.lange@helmholtz-berlin.de

HZB-Pressestelle
Dr. Antonia Rötger
E-Mail: antonia.roetger@helmholtz-berlin.de

Weitere Informationen:

http://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=14640&sprache=de&ty...
http://www.nature.com/articles/srep44192

Dr. Ina Helms | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Der sechste Sinn der Tiere: Ein Frühwarnsystem für Erdbeben?
03.07.2020 | Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.

nachricht Wirkstoffe aus Kieler Meeresalgen als Mittel gegen Infektionen und Hautkrebs entdeckt
03.07.2020 | GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel

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: Ein neuer Weg zur superschnellen Bewegung von Flussschläuchen in Supraleitern entdeckt

Ein internationales Team von Wissenschaftern aus Österreich, Deutschland und der Ukraine hat ein neues supraleitendes System gefunden, in dem sich magnetische Flussquanten mit Geschwindigkeiten von 10-15 km/s bewegen können. Dies erschließt Untersuchungen der reichen Physik nichtlinearer kollektiver Systeme und macht einen Nb-C-Supraleiter zu einem idealen Materialkandidaten für Einzelphotonen-Detektoren. Die Ergebnisse sind in Nature Communications veröffentlicht.

Supraleitung ist ein physikalisches Phänomen, das bei niedrigen Temperaturen in vielen Materialien auftritt und das sich durch einen verschwindenden...

Im Focus: Elektronen auf der Überholspur

Solarzellen auf Basis von Perowskitverbindungen könnten bald die Stromgewinnung aus Sonnenlicht noch effizienter und günstiger machen. Bereits heute übersteigt die Labor-Effizienz dieser Perowskit-Solarzellen die der bekannten Silizium-Solarzellen. Ein internationales Team um Stefan Weber vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P) in Mainz hat mikroskopische Strukturen in Perowskit-Kristallen gefunden, die den Ladungstransport in der Solarzelle lenken können. Eine geschickte Ausrichtung dieser „Elektronen-Autobahnen“ könnte Perowskit-Solarzellen noch leistungsfähiger machen.

Solarzellen wandeln das Licht der Sonne in elektrischen Strom um. Dabei wird die Energie des Lichts von den Elektronen des Materials im Inneren der Zelle...

Im Focus: Electrons in the fast lane

Solar cells based on perovskite compounds could soon make electricity generation from sunlight even more efficient and cheaper. The laboratory efficiency of these perovskite solar cells already exceeds that of the well-known silicon solar cells. An international team led by Stefan Weber from the Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) in Mainz has found microscopic structures in perovskite crystals that can guide the charge transport in the solar cell. Clever alignment of these "electron highways" could make perovskite solar cells even more powerful.

Solar cells convert sunlight into electricity. During this process, the electrons of the material inside the cell absorb the energy of the light....

Im Focus: Das leichteste elektromagnetische Abschirmmaterial der Welt

Empa-Forschern ist es gelungen, Aerogele für die Mikroelektronik nutzbar zu machen: Aerogele auf Basis von Zellulose-Nanofasern können elektromagnetische Strahlung in weiten Frequenzbereichen wirksam abschirmen – und sind bezüglich Gewicht konkurrenzlos.

Elektromotoren und elektronische Geräte erzeugen elektromagnetische Felder, die bisweilen abgeschirmt werden müssen, um benachbarte Elektronikbauteile oder die...

Im Focus: The lightest electromagnetic shielding material in the world

Empa researchers have succeeded in applying aerogels to microelectronics: Aerogels based on cellulose nanofibers can effectively shield electromagnetic radiation over a wide frequency range – and they are unrivalled in terms of weight.

Electric motors and electronic devices generate electromagnetic fields that sometimes have to be shielded in order not to affect neighboring electronic...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Internationale Konferenz QuApps zeigt Status Quo der Quantentechnologie

02.07.2020 | Veranstaltungen

Virtuelles Meeting mit dem BMBF: Medizintechnik trifft IT auf der DMEA sparks 2020

17.06.2020 | Veranstaltungen

Digital auf allen Kanälen: Lernplattformen, Learning Design, Künstliche Intelligenz in der betrieblichen Weiterbildung, Chatbots im B2B

17.06.2020 | Veranstaltungen

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

Der sechste Sinn der Tiere: Ein Frühwarnsystem für Erdbeben?

03.07.2020 | Biowissenschaften Chemie

Effizient, günstig und ästhetisch: 
Forscherteam baut Elektroden aus Laubblättern

03.07.2020 | Energie und Elektrotechnik

Ein neuer Weg zur superschnellen Bewegung von Flussschläuchen in Supraleitern entdeckt

03.07.2020 | Physik Astronomie

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