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Der Erfolg der Energiewende hängt stark von effizienten Elektrokatalysatoren ab, zum Beispiel für Brennstoffzellen oder CO₂-Reduktion. Spezielle Legierungen aus fünf oder mehr Elementen sind vielversprechende Kandidaten. Um in der Überfülle möglicher Kombinationen schnell screenen zu können, welche davon es sich zu optimieren lohnt, hat ein Forschungsteam der RUB ein Konzept entwickelt. Es hilft, das Potenzial einer möglichen Legierung direkt zu erkennen. Das Team berichtet in der Zeitschrift Angewandte Chemie International Edition vom 22. Dezember 2019.

Effiziente Katalysatoren aus günstigen und verfügbaren Elementen

Die Hoffnungen der Forscherinnen und Forscher für neue Katalysatoren aus günstigen und verfügbaren Elementen ruhen auf sogenannten Mischkristallen, auch Hochentropielegierungen genannt. Sie bestehen aus fünf oder mehr Elementen, die gleichmäßig miteinander vermischt sind, und deren vielfältige, komplexe Wechselwirkungen feine Anpassungen der wichtigen Eigenschaften ermöglichen. Nicht nur die Eigenschaften der einzelnen Elemente, sondern vor allem ihrer Interaktion sind entscheidend. „Dadurch bieten sich vielfältige, anderweitig nicht erreichbare Möglichkeiten, um gleichzeitig Preis und Performance für mögliche Anwendungen zu optimieren“, sagt Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann vom Zentrum für Elektrochemie der RUB.

Die erfolgreiche Arbeitsgruppe: Michael Meischein, Tobias Löffler, Wolfgang Schuhmann, Alan Savan und Alfred Ludwig (von links)

© RUB, Marquard

Noch fehlt es jedoch an grundlegenden Erkenntnissen über die erst kürzlich entdeckte neue Katalysatorklasse. Welche Informationen können Messungen liefern, um gezielte Fortschritte in der Katalysatorentwicklung zu machen? Wie hilft dies, um aus den nahezu unendlichen Kombinationsmöglichkeiten die richtige zu finden? Wie wirkt sich der Austausch eines Elementes auf die Eigenschaften aus?

Ergebnisse genauer deuten

„Wir haben ein Konzept erarbeitet, das es uns erlaubt, die Zusammenhänge zwischen Auswahl der Elemente, theoretischen, aktivitätsbestimmenden Eigenschaften und tatsächlich messbaren Größen zu verstehen“, berichtet Tobias Löffler, Doktorand der Elektrochemie. Da sich die Hochentropielegierungen in allen diesen Punkten von herkömmlichen Elektrokatalysatoren unterscheiden, ist dieses Verständnis grundlegend für experimentelle Fortschritte.

„Wir zeigen, wie man Experimente mit einer Legierung aus zum Beispiel fünf gleichen Teilen jedes Elements deuten kann, um die Elementkombination als potenziell aktiv zu erkennen“, erläutert Tobias Löffler. So können die Forscher schnell erkennen, ob sich eine Optimierung der Mengenverhältnisse der Elemente untereinander lohnt. „Damit können wir den Screening-Aufwand für mögliche Materialzusammensetzungen auf einen Bruchteil reduzieren, ohne vielversprechende Kandidaten zu übersehen“, erklärt Wolfgang Schuhmann.