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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.