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Edelmetallfreie Nanopartikel könnten eines Tages teure Katalysatoren für die Wasserstoffproduktion ersetzen. Welche Reaktionsraten sie erreichen können, ist allerdings oft schwer zu bestimmen, insbesondere wenn es sich um Oxidpartikel handelt. Denn die Partikel müssen mit einem Bindemittel und leitfähigen Zusätzen an der Elektrode befestigt werden, was die Ergebnisse verzerrt. Mithilfe elektrochemischer Analysen einzelner Partikel ist es Forscherinnen und Forschern nun gelungen, die Aktivität und den Stoffumsatz von Nanokatalysatoren aus Cobalt-Eisenoxid zu bestimmen – und zwar ohne Bindemittel. Das Team um Prof. Dr. Kristina Tschulik von der Ruhr-Universität Bochum berichtet gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen von der Universität Duisburg-Essen und aus Dresden im Journal of the American Chemical Society, online veröffentlicht am 30. Mai 2019.

„Die Entwicklung edelmetallfreier Katalysatoren spielt bei der Realisierung der Energiewende eine entscheidende Rolle, da nur sie kostengünstig und zahlreich genug verfügbar sind, um erneuerbare Brennstoffe in der benötigten Menge zu produzieren“, sagt Kristina Tschulik, Mitglied im Exzellenzcluster Ruhr Explores Solvation, kurz Resolv. Wasserstoff, ein vielversprechender Energieträger, kann durch Elektrolyse, also durch die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gewonnen werden. Der limitierende Faktor dabei ist bislang die Teilreaktion, in der Sauerstoff entsteht.

Besser als aktuelle industriell erzielte Reaktionsraten

Wie effizient Cobalt-Eisenoxid-Partikel die Sauerstoffentwicklung katalysieren können, untersuchten die Forscherinnen und Forscher in der aktuellen Arbeit. Sie analysierten viele einzelne Partikel nacheinander. An der Elektrodenoberfläche ließen die Chemiker ein Partikel die Sauerstoffentwicklung katalysieren und maßen den dabei entstehenden Stromfluss, welcher Aufschluss über die Reaktionsrate gibt. „Wir haben Stromdichten von mehreren Kiloampere pro Quadratmeter gemessen“, so Tschulik. „Das liegt oberhalb der derzeit industriell möglichen Reaktionsraten.“

Das Team zeigte, dass für Partikel unter zehn Nanometern Größe der Stromfluss von der Partikelgröße abhängt – je kleiner der Katalysatorpartikel war, desto kleiner der Stromfluss. Außerdem wird der Stromfluss durch den Sauerstoff begrenzt, der in der Reaktion entsteht und von der Partikeloberfläche wegdiffundiert.

Extrem stabil trotz hoher Belastung

Nach den Katalyseexperimenten betrachteten die Chemiker die Katalysatorpartikel unter dem Transmissionselektronenmikroskop. „Trotz der hohen Reaktionsraten, also obwohl die Partikel so viel Sauerstoff erzeugt hatten, veränderten sie sich kaum“, resümiert Tschulik. „Die Stabilität unter extremen Bedingungen ist ausgezeichnet.“

Der in der aktuellen Arbeit verwendete Analyseansatz ist auch auf andere Elektrokatalysatoren übertragbar. „Mehr über die Aktivitäten von Nanokatalysatoren zu erfahren ist unabdingbar, um edelmetallfreie Katalysatoren für erneuerbare Energietechnologien von morgen effizient weiterentwickeln zu können“, so die Bochumer Chemikerin. Um den Einfluss der Größe auf die katalytische Aktivität genau untersuchen zu können, ist es wichtig, die Nanopartikel in definierten Größen produzieren zu können. Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs/Transregio 247 zur Oxidationskatalyse und der Universitätsallianz Ruhr kooperiert das Bochumer Team daher eng mit Forschern der Universität Duisburg-Essen um Prof. Dr. Stephan Schulz, die die Katalysatorpartikel herstellen.