Edelmetall-Katalysatoren sparsam auftragen
© RUB, Marquard Kristina Tschulik und Mathies Evers entwickeln Methoden, um seltene und teure Edelmetall-Partikel möglichst ressourcenschonend als Katalysatoren nutzen zu können.
Eine neue Methode, um seltene und teure Katalysatoren möglichst sparsam verwenden zu können, haben Forscherinnen und Forscher der Ruhr-Universität Bochum und des Fritz-Haber-Instituts Berlin entwickelt. Sie schlossen ein Edelmetallsalz in winzige Mizellen, also äußere Hüllen, ein und ließen diese auf einer Kohlenstoffelektrode einschlagen, wodurch die Oberfläche mit Nanopartikeln des enthaltenen Edelmetalls Gold beschichtet wurde. Gleichzeitig konnte das Team genau analysieren, wie viel des Metalls abgeschieden wurde. Anschließend zeigten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, dass die so beschichtete Elektrode effizient die Sauerstoffreduktion katalysieren konnte, welche der limitierende chemische Prozess in Brennstoffzellen ist.
Das Verfahren beschreibt das Team um Prof. Dr. Kristina Tschulik und Mathies Evers von der Bochumer Forschungsgruppe für Elektrochemie und Nanoskalige Materialien in der Zeitschrift „Angewandte Chemie“, online vorab veröffentlicht am 11. April 2019.
Partikel von gleicher Größe herstellen
Die Gold-Nanopartikel stellte die Forschungsgruppe mithilfe von
Mizellen her. Zunächst bestanden die Partikel aus einem
Vorläufermaterial, nämlich Chlorgoldsäure, die in eine äußere Hülle aus
einem Polymer eingepackt war. Der Vorteil: „Wenn wir Gold-Nanopartikel
mithilfe von Mizellen herstellen, haben die Nanopartikel alle eine
nahezu identische Größe“, sagt Kristina Tschulik, die Mitglied im
Exzellenzcluster „Ruhr Explores Solvation“, kurz Resolv,
ist. Denn in die kleinen Mizellen passt nur eine bestimme Beladung des
Vorläufermaterials, aus dem ein einzelnes Partikel mit einer bestimmten
Größe entsteht. „Da unterschiedlich große Partikel unterschiedliche
katalytische Eigenschaften besitzen, ist es wichtig, die Partikelgröße
über die Beladungsmenge der Mizelle zu kontrollieren“, ergänzt Tschulik.
Gleichmäßige Beschichtung auch bei komplexen Oberflächen
Die zu beschichtende zylinderförmige Elektrode tauchten die
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in eine Lösung mit den
beladenen Mizellen ein und legten eine Spannung an der Elektrode an.
Durch die zufällige Bewegung der Mizellen in der Lösung schlugen sie im
Lauf der Zeit auf der Elektrodenoberfläche ein. Dort platzte die äußere
Hülle auf und die Gold-Ionen aus der Chlorgoldsäure reagierten zu
elementarem Gold, welches an der Elektrodenoberfläche haften blieb. Und
zwar in Form einer gleichförmigen Schicht aus Nanopartikeln. „Mit
Standardmethoden lassen sich nur flache Substrate gleichmäßig
beschichten“, erklärt Tschulik. „Mit unserem Verfahren können auch
komplexe Oberflächen gleichmäßig mit einem Katalysator beladen werden.“
Abgeschiedene Menge genau kontrollierbar
Während die Gold-Ionen aus der Chlorgoldsäure zu elementarem Gold
reagieren, fließen Elektronen. Den so entstehenden Stromfluss können die
Chemikerinnen und Chemiker messen und daraus genau ableiten, wie viel
Material beim Beschichten der Elektrode verbraucht wurde. Das Verfahren
registriert dabei den Einschlag jedes einzelnen Partikels und auch
dessen Größe.
Die mit dem neuen Verfahren beschichteten Elektroden testeten die Wissenschaftler erfolgreich für die Sauerstoffreduktionsreaktion. Sie erzielten dabei eine ebenso hohe Aktivität wie für nackte Goldnanopartikel, die ohne äußere Hülle aufgetragen wurden. Aufgrund der gleichmäßigen Beschichtung der Oberfläche beobachteten sie zudem schon bei elf Prozent Bedeckung eine fast ebenso hohe Reaktionsrate wie für vollständig mit Gold bedeckte Elektroden und massive Goldelektroden.
Förderung
Die Arbeiten wurden finanziell unterstützt von der
Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Exzellenzclusters Resolv
(EXC 2033) und des Graduiertenkollegs GRK2376/331085229. Weitere
Förderung kam vom Projekt „IMPRS-Surmat“, vom Bundesministerium für
Bildung und Forschung im Rahmen des Projekts #03F0523C-CO2EKAT, dem
Europäischen Forschungsrat (ERC-725915) und vom NRW-Rückkehrprogramm des
Landes NRW.