Chemie Aktivität von edelmetallfreien Katalysatorpartikeln bestimmen

Chemiker haben ein neues Verfahren entwickelt, mit dem sie einzelne edelmetallfreie Nanopartikel-Katalysatoren charakterisieren können. Die Partikel könnten eine günstige Alternative zu Edelmetall-Katalysatoren darstellen, um Wasserstoff aus Wasser mittels Elektrolyse zu gewinnen. „Um effektive Nanopartikel zu entwickeln, müssen wir verstehen, wie Struktur und Aktivität einzelner Partikel oder kleiner Partikelgruppen zusammenhängen“, sagt Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann vom Zentrum für Elektrochemie der Ruhr-Universität Bochum. Ein neues Messverfahren für diesen Zweck beschreibt er mit den Bochumer Forschern Tsvetan Tarnev und Dr. Harshitha Barike Ayappa sowie Prof. Dr. Corina Andronescu von der Universität Duisburg-Essen und weiteren Kolleginnen und Kollegen in der Zeitschrift „Angewandte Chemie“ vom 1. Oktober 2019.

Bislang gibt es wenige Techniken, um die katalytische Aktivität einzelner oder weniger Nanopartikel zu erfassen. „Die Ströme, die gemessen werden müssen, sind extrem klein, und man muss einzelne oder wenige Nanopartikel finden und reproduzierbar vermessen können“, erklärt Schuhmann. Das Forschungsteam, das im Rahmen der Universitätsallianz Ruhr kooperiert, zeigte, dass solche Analysen auch mit hohem Durchsatz möglich sind – nämlich mit der elektrochemischen Rasterzellmikroskopie.

Neues Referenzsystem entwickelt

Bislang war die Methode nicht für diesen Zweck genutzt worden, weil die Nanopartikel unter anspruchsvollen chemischen Bedingungen getestet werden müssen, und so große Messungenauigkeiten auftraten. Das machte eine zuverlässige Interpretation der Ergebnisse unmöglich. In der aktuellen Arbeit entwickelten die Forscherinnen und Forscher ein neues Referenzsystem für die elektrochemische Rasterzellmikroskopie. Durch die geschickte Nutzung eines stabilen internen Standards eliminierten sie die Messungenauigkeiten und ermöglichten langanhaltende Messungen unter den gegebenen Bedingungen mit hohem Durchsatz.

Selbst hergestellte Nanopartikel analysiert

Die Forscherinnen und Forscher erzeugten Kohlenstoffpartikel mit Stickstoff- und Cobalt-Einlagerungen auf einer Platte aus glasartigem Kohlenstoff, wobei die Partikel entweder einzeln oder in Gruppen von wenigen Partikeln auf der Oberfläche vorlagen. In einem einzigen Experiment konnten sie dann mit der Rasterzellmikroskopie die elektrochemische Aktivität dieser Partikel beziehungsweise Partikelgruppen bestimmen.

Die Partikel katalysierten dabei die sogenannte Sauerstoffentwicklungsreaktion. Bei der Elektrolyse von Wasser werden Wasserstoff und Sauerstoff gebildet – der limitierende Schritt in diesem Prozess ist derzeit die Teilreaktion, in der der Sauerstoff entsteht; effizientere Katalysatoren für diese Teilreaktion würden die Gewinnung von Wasserstoff vereinfachen.