Materialforschung Edelmetallfreies Katalysatorsystem so aktiv wie Platin
Damit könnten leistungsfähige Katalysatoren viel billiger werden.
Als Katalysator für die Sauerstoffreduktion, die zum Beispiel in Brennstoffzellen oder Metall-Luft-Batterien ausschlaggebend ist, setzt die Industrie bisher Platinlegierungen ein. Das teure und seltene Metall setzt der Produktion enge Grenzen. Forscher der RUB und des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung haben jetzt eine aus fünf Elementen bestehende Legierung entdeckt, die edelmetallfrei und genauso aktiv ist wie Platin. Sie berichten in der Zeitschrift Advanced Energy Materials vom 21. Oktober 2018.
Neue Nachbarn bilden aktive Zentren
Die katalytischen Eigenschaften von Nichtedelmetall-Elementen und deren Legierungen sind normalerweise schlecht. Zur Überraschung der Forscher zeigt aber eine Legierung aus fünf nahezu gleichmäßig vertretenen Komponenten deutlich verbesserte Eigenschaften. Grund dafür ist der sogenannte Hochentropieeffekt. Er führt dazu, dass mehrkomponentige Legierungen eine einfache Kristallstruktur behalten.
„Durch das Zusammenwirken der verschiedenen benachbarten Elemente bilden sich neue aktive Zentren aus, die komplett neue Eigenschaften aufweisen und somit nicht mehr an die limitierenden Eigenschaften der einzelnen Elemente gebunden sind“, erklärt Tobias Löffler, Doktorand am RUB-Lehrstuhl für Analytische Chemie – Zentrum für Elektrochemie von Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann. „Unsere Arbeit zeigt, dass diese Legierungen auch für die Katalyse hochinteressant sind.“
Die Forscher fanden ein System aus fünf Elementen, bei dem der Hochentropieeffekt eine katalytische Aktivität für die Sauerstoffreduktion bewirkt, die vergleichbar mit der von Platin ist. Indem sie die Zusammensetzung optimierten, konnten sie die Aktivität sogar noch weiter steigern.
Weitreichende Auswirkungen auf die Elektrokatalyse
Die Forscher hoffen, dank der nahezu unerschöpflichen Kombinationsmöglichkeiten von Elementen und der Modifizierung ihrer Zusammensetzung, die Eigenschaften für gewünschte Reaktionen anpassen zu können.
