Neues Verfahren korreliert atomare Mikroskopie mit der Funktion von Einzelatomkatalysatoren
Brennstoffzellen wandeln chemische Reaktionsenergie in elektrischen Strom und W?rme um. 365体育_足球比分网￥投注直播官网 werden unter anderem in der Fahrzeugentwicklung, in der Luft- und Raumfahrt oder zur nachhaltigen Energieversorgung eingesetzt. Bei der Energieumwandlung spielt die katalytische Reduktion von Sauerstoff eine wichtige Rolle. Die Entwicklung von effizienten und günstigen Katalysatoren ist daher extrem wichtig. Wissenschaftler*innen der Westf?lischen Wilhelms-Universit?t (WWU) Münster, des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzfl?chenforschung in Potsdam und der Universit?t Paderborn haben nun auf dem Forschungsgebiet der Einzelatomkatalysatoren Fortschritte erzielt: Die Forschenden entwickelten einen methodischen Ansatz, der die Charakterisierung mit atomarer Aufl?sung direkt mit der Analyse der elektrochemischen Eigenschaften bei der Reduktion von Sauerstoff verbindet. Dieses Verfahren erlaubt zukünftig, ma?geschneiderte Katalysatoren noch effizienter zu gestalten. Die Studienergebnisse sind im Fachmagazin ACS Nano erschienen.
Hintergrund und Methodik
Herk?mmliche Katalysatoren verwenden oft teure Gold- oder Platin-Nanopartikel. Aufgrund der hohen Kosten solcher Edelmetalle versucht man, sie durch kostengünstigere Materialien zu ersetzen und in Form immer kleinerer Partikel zu nutzen. In den vergangenen Jahren hat sich daher das Forschungsfeld von sogenannten Einzelatomkatalysatoren (englisch: single atom catalysts) rasant entwickelt. Hier liegt das Metall nicht mehr in Form von Partikeln vor, sondern als einzelne Atome, die auf einer Oberfl?che festgehalten werden. ?Dieser Ansatz zeichnet sich dadurch aus, dass diese Atome nur sehr wenige Bindungspartner haben – auch niedrige Koordinierung genannt. Dementsprechend weisen sie eine sehr hohe katalytische Effizienz auf. Das bedeutet, sie haben eine bessere Wirkung hinsichtlich einer bestimmten Reaktion“, erkl?rt Dr. Harry M?nig vom Physikalischen Institut der WWU. Ein wesentliches Problem bei der Entwicklung solcher Einzelatomkatalysatoren stellte bislang die Tendenz der Einzelatome dar, sich zu Partikeln anzuh?ufen, was wiederum zu mehr Bindungspartnern und damit zu einem Verlust der katalytischen Effizienz führt.
Für die Studie nutzte das Forschungsteam ein hochgradig geordnetes Netzwerk, durch das sie einzelne Kupferatome mit sehr niedriger Koordinierung stabilisierten. ?Hierzu haben wir organische Moleküle auf einer Kupferoberfl?che zu einem zweidimensionalen (supramolekularen) Netzwerk verknüpft. Durch eine extrem starke Wechselwirkung zwischen der organischen Schicht und dem Kupfersubstrat werden einzelne Kupferatome aus dem Substrat herausgezogen und ?h?ngen‘ sozusagen flexibel zwischen den einzelnen Einheiten des Netzwerks“, erl?utert Harry M?nig. In einem weiteren Schritt untersuchten die Wissenschaftler*innen, ob die Kupferatome eine katalytische Aktivit?t zeigen. Hierzu führten sie verschiedene elektrochemische Experimente und begleitende Simulationen durch. Bei dem Verfahren zeigte sich eine robuste Reduktion von Sauerstoff, wodurch die atomaren Eigenschaften der Netzwerke in direkten Zusammenhang mit deren katalytischer Wirkung gebracht werden konnten. Die Verwendung von günstigerem Kupfer anstatt von Gold oder Platin als katalytisches Material k?nnte für eine technologische Anwendung einen enormen Kostenvorteil darstellen.
Originalpublikation
Schulze Lammers, B., López-Salas N., Stein 365体育_足球比分网￥投注直播官网na, J., Mirhosseini, H., Yesilpinar, D., Heske, J., Kühne T.D., Fuchs, H., Antonietti, M. and M?nig, H. (2022). Real-Space Identification of Non-Noble Single Atomic Catalytic Sites within Metal-Coordinated Supramolecular Networks. ACS Nano. DOI: 10.1021/acsnano.2c04439
