|
Katalysatoroberfläche mit atomarer Auflösung analysiert |
 Mit atomarer Auflösung hat ein deutsch-chinesisches Forschungsteam die dreidimensionale Struktur der Oberfläche von Katalysator-Nanopartikeln sichtbar gemacht. Diese spielt eine entscheidende Rolle für die Aktivität und Stabilität der Partikel. Die detaillierten Einblicke gelangen mit einer Kombination aus Atomsondentomografie, Spektroskopie und Elektronenmikroskopie. Nanopartikel-Katalysatoren können zum Beispiel bei der Produktion von Wasserstoff für die chemische Industrie zum Einsatz kommen. Um die Leistung künftiger Katalysatoren zu optimieren, ist es unabdingbar, den Einfluss der dreidimensionalen Struktur zu verstehen.
Für die Arbeiten kooperierten Forschende der Ruhr-Universität Bochum,
der Universität Duisburg-Essen und des Max-Planck-Instituts für
Chemische Energiekonversion in Mülheim an der Ruhr im Rahmen des
Sonderforschungsbereichs „Heterogene Oxidationskatalyse in der
Flüssigphase“.
An der RUB arbeitete ein Team um Weikai Xiang und
Prof. Dr. Tong Li aus dem Bereich Atomic-scale Characterisation zusammen
mit dem Lehrstuhl für Elektrochemie und Nanoskalige Materialien sowie
dem Lehrstuhl für Technische Chemie. Außerdem waren Institute im
chinesischen Shanghai und britischen Didcot beteiligt. Das Team
beschreibt die Arbeiten in der Zeitschrift Nature Communications, online
veröffentlicht am 10. Januar 2022.
Partikel während des Katalyseprozesses beobachtet
Die
Forschenden untersuchten zwei verschiedene Arten von Nanopartikeln aus
Cobalt-Eisenoxid, die kleiner als zehn Nanometer waren. Sie analysierten
die Partikel während der Katalyse der sogenannten Oxygen Evolution
Reaction. Dabei handelt es sich um eine Teilreaktion, die während der
Wasserstoffproduktion auftritt: Wasserstoff kann durch die Spaltung von
Wasser mittels elektrischer Energie gewonnen werden; dabei entstehen
Wasserstoff und Sauerstoff. Der Flaschenhals bei der Entwicklung
effizienterer Produktionsprozesse ist die Teilreaktion, in der
Sauerstoff gebildet wird, die Oxygen Evolution Reaction. Denn diese
Reaktion verändert die Katalysatoroberfläche und sorgt dafür, dass die
Wasserspaltung im Lauf der Zeit ineffizienter wird. Genau diese
Veränderungen an der Oberfläche wollen die Forschenden verstehen, weil
sie entscheidend für die Aktivität und Stabilität des Katalysators sind.
Gerade
für kleine Nanopartikel von weniger als zehn Nanometern Durchmesser
fehlten bislang detaillierte Informationen dazu, was an der
Katalysatoroberfläche während der Reaktion passiert. Mit der
Atomsondentomografie konnte die Gruppe die Verteilung der verschiedenen
Atomsorten in den Cobalt-Eisenoxid-Katalysatoren dreidimensional
sichtbar machen. In Kombination mit weiteren Methoden zeigten sie, wie
sich die Struktur und Zusammensetzung der Oberfläche während des
Katalyseprozesses veränderte – und wie diese Veränderung mit der
katalytischen Leistung zusammenhing.
„Atomsondentomografie hat
großes Potenzial, neue Erkenntnisse auf atomarer Ebene auch bei anderen
katalytischen Reaktionen zu ermöglichen, etwa die Erzeugung von
Wasserstoff und der Umwandlung von CO2“, resümiert Tong Li.
Den Artikel finden Sie unter:
https://news.rub.de/wissenschaft/2022-01-10-materialwissenschaft-katalysatoroberflaeche-mit-atomarer-aufloesung-analysiert
Quelle: Ruhr-Universität Bochum (01/2022)
Publikation:
Weikai
Xiang et al.: 3D atomic-scale imaging of mixed Co-Fe spinel oxide
nanoparticles during oxygen evolution reaction, in: Nature
Communications, 2021, DOI: 10.1038/s41467-021-27788-2, https://www.nature.com/articles/s41467-021-27788-2 |
