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Elektrokatalyse unter dem Rasterkraftmikroskop |
 Eine Weiterentwicklung der Rasterkraftmikroskopie macht es nun möglich, das Höhenprofil nanometerfeiner Strukturen sowie den elektrischen Strom und die Reibungskraft an fest-flüssig Grenzflächen zeitgleich abzubilden. Damit gelang es einem Team am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) sowie am Fritz-Haber-Institut (FHI) der Max-Planck-Gesellschaft, elektrokatalytisch aktive Materialien zu analysieren und Einblicke zu gewinnen, die für die Katalysatoroptimierung hilfreich sind. Die Methode eignet sich darüber hinaus auch, um Prozesse an Batterieelektroden, bei der Photokatalyse oder an aktiven Biomaterialien zu untersuchen.
Um die Energiewende zu meistern, kommt es auch darauf an, günstige
und effiziente Materialien zu entwickeln, die für die Aufspaltung von
Wasser oder CO2 durch Elektrokatalyse eingesetzt werden können. Dabei
wird ein Teil der elektrischen Energie in den chemischen
Reaktionsprodukten gespeichert. Wie effizient solche
Elektrokatalysatoren ihre Aufgabe erfüllen, hängt stark davon ab, wie
Grenzflächen zwischen Elektroden und Elektrolyt beschaffen sind: Es
handelt sich dabei um Grenzflächen zwischen den festen Elektroden und
dem typischerweise wässrigen Elektrolyten. Doch eine ortsaufgelöste
physikalische Untersuchung solcher fest-flüssig-Grenzflächen war bisher
kaum verfügbar.
Dr. Christopher S. Kley hat nun mit seinem Team
einen neuen Ansatz für die korrelative Rasterkraftmikroskopie
entwickelt. Hierbei wird eine extrem scharfe Spitze berührend über die
Oberfäche gerastert und deren Höhenprofil aufgezeichnet. Mit der am Ende
eines miniaturisierten Federbalkens angebrachten Spitze lassen sich die
Kraftwechselwirkungen zwischen Spitze und Probenoberfläche mit hoher
Empfindlichkeit messen, einschließlich der Reibungskräfte. Außerdem kann
der durch den mechanischen Kontakt fließende elektrische Strom gemessen
werden, sofern eine Spannung anliegt. „Damit konnten wir in situ (also
unter relevanten Flüssigphasen-Bedingungen, statt im Vakuum oder an der
Luft) die elektrische Leitfähigkeit, die mechanisch-chemische Reibung
und die morphologischen Eigenschaften bestimmen, und zwar zeitgleich“,
betont Kley.
Mit dieser Methode untersuchte die Gruppe in
Zusammenarbeit mit Prof. Beatriz Roldán Cuenya vom Fritz-Haber-Institut
(FHI) nun einen nanostrukturierten und bimetallischen
Kupfer-Gold-Elektrokatalysator. Solche Materialien werden beispielsweise
für die elektrokatalytische Umwandlung von CO2 in Energieträger
eingesetzt. „Wir konnten sehr deutlich Inseln aus Kupferoxid
identifizieren, die einen höheren elektrischen Widerstand aufweisen,
aber auch Korngrenzen und niedrigleitende Bereiche in der
Hydratationsschicht, wo die Katalysatoroberfläche mit dem wässrigen
Elektrolyten in Berührung kommt“, sagt Dr. Martin Munz, Erstautor der
Studie.
Solche Ergebnisse zu Katalysator-Elektrolyt-Grenzflächen
helfen, diese gezielt zu optimieren. „Wir können nun beobachten, wie
lokale elektrochemische Umgebungen den Ladungstransfer an der
Grenzfläche beeinflussen“, sagt Kley.
„Unsere Ergebnisse sind
aber auch generell für die Energieforschung von Interesse, insbesondere
die Forschung an elektrochemischen Umwandlungsprozessen, die unter
anderem in Batteriesystemen eine Rolle spielen“. Einsichten in
fest-flüssig-Grenzflächen können aber auch in ganz anderen
Forschungsgebieten hilfreich sein, zum Beispiel für das Verständnis von
Korrosionsprozessen, Nanosensorik-Systemen, bis hin zu Fragestellungen
in der Fluidik und den Umweltwissenschaften, beispielsweise Auflösungs-
oder Ablagerungsprozesse an Metalloberflächen.
Den Artikel finden Sie unter:
https://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=24706&sprache=de&seitenid=1
Quelle: Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (03/2023)
Publikation:
Journal
of the American Chemical Society (2023): Nanoscale electron transfer
variations at electrocatalyst-electrolyte interfaces resolved by in situ
conductive atomic force microscopy; M. Munz, J. Poon, W. Frandsen, B.
Roldan Cuenya, C.S. Kley DOI: 10.1021/jacs.2c12617
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c12617 |
