Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Edelmetallfreies Katalysatorsystem so aktiv wie Platin

23.10.2018

Als Katalysator für die Sauerstoffreduktion, die zum Beispiel in Brennstoffzellen oder Metall-Luft-Batterien ausschlaggebend ist, setzt die Industrie bisher Platinlegierungen ein. Das teure und seltene Metall setzt der Produktion enge Grenzen. Forscher der Ruhr-Universität Bochum (RUB) und des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung haben jetzt eine aus fünf Elementen bestehende Legierung entdeckt, die edelmetallfrei und genauso aktiv ist wie Platin. Sie berichten im Journal Advanced Energy Materials vom 21. Oktober 2018.

Neue Nachbarn bilden aktive Zentren


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

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

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

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

Originalpublikation:

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

Weitere Informationen:

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

Meike Drießen | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.ruhr-uni-bochum.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Elektrogesponnene Vliese mit gerichteten Fasern für die Sehnen- und Bänderrekostruktion
05.08.2020 | INNOVENT e.V. Technologieentwicklung Jena

nachricht TU Graz Forschende modellieren Nanopartikel nach Maß
30.07.2020 | Technische Universität Graz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Projektabschluss ScanCut: Filigranere Steckverbinder dank Laserschneiden

Eine entscheidende Ergänzung zum Stanzen von Kontakten erarbeiteten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT. Die Aachener haben im Rahmen des EFRE-Forschungsprojekts ScanCut zusammen mit Industriepartnern aus Nordrhein-Westfalen ein hybrides Fertigungsverfahren zum Laserschneiden von dünnwandigen Metallbändern entwickelt, wodurch auch winzige Details von Kontaktteilen umweltfreundlich, hochpräzise und effizient gefertigt werden können.

Sie sind unscheinbar und winzig, trotzdem steht und fällt der Einsatz eines modernen Fahrzeugs mit ihnen: Die Rede ist von mehreren Tausend Steckverbindern im...

Im Focus: ScanCut project completed: laser cutting enables more intricate plug connector designs

Scientists at the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT have come up with a striking new addition to contact stamping technologies in the ERDF research project ScanCut. In collaboration with industry partners from North Rhine-Westphalia, the Aachen-based team of researchers developed a hybrid manufacturing process for the laser cutting of thin-walled metal strips. This new process makes it possible to fabricate even the tiniest details of contact parts in an eco-friendly, high-precision and efficient manner.

Plug connectors are tiny and, at first glance, unremarkable – yet modern vehicles would be unable to function without them. Several thousand plug connectors...

Im Focus: Elektrogesponnene Vliese mit gerichteten Fasern für die Sehnen- und Bänderrekostruktion

Sportunfälle und der demografische Wandel sorgen für eine gesteigerte Nachfrage an neuen Möglichkeiten zur Regeneration von Bändern und Sehnen. Eine Kooperation aus italienischen und deutschen Wissenschaftler*innen forschen gemeinsam an neuen Materialien, um dieser Nachfrage gerecht zu werden.

Dem Team ist es gelungen elektrogesponnene Vliese mit hochgerichteten Fasern zu generieren, die eine geeignete Basis für Ersatzmaterialien für Sehnen und...

Im Focus: New Strategy Against Osteoporosis

An international research team has found a new approach that may be able to reduce bone loss in osteoporosis and maintain bone health.

Osteoporosis is the most common age-related bone disease which affects hundreds of millions of individuals worldwide. It is estimated that one in three women...

Im Focus: Neue Strategie gegen Osteoporose

Ein internationales Forschungsteam hat einen neuen Ansatzpunkt gefunden, über den man möglicherweise den Knochenabbau bei Osteoporose verringern und die Knochengesundheit erhalten kann.

Die Osteoporose ist die häufigste altersbedingte Knochenkrankheit. Weltweit sind hunderte Millionen Menschen davon betroffen. Es wird geschätzt, dass eine von...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Innovationstage 2020 – digital

06.08.2020 | Veranstaltungen

Innovationen der Luftfracht: 5. Air Cargo Conference real und digital

04.08.2020 | Veranstaltungen

T-Shirts aus Holz, Möbel aus Popcorn – wie nachwachsende Rohstoffe fossile Ressourcen ersetzen können

30.07.2020 | Veranstaltungen

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

Der Türsteher im Gehirn

06.08.2020 | Biowissenschaften Chemie

Kognitive Energiesysteme: Neues Kompetenzzentrum sucht Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft

06.08.2020 | Energie und Elektrotechnik

Projektabschluss ScanCut: Filigranere Steckverbinder dank Laserschneiden

06.08.2020 | Verfahrenstechnologie

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