Energie Würfel stechen Kugeln als Katalysatorpartikel aus
Die Form von Nanopartikeln entscheidet maßgeblich über ihre Effizienz als Katalysatoren für die Herstellung von grünem Wasserstoff.
Bisher war es mit Nanopartikeln als Katalysatoren für grünen Wasserstoff wie mit Ruderern in einem Achter: Man konnte nur die durchschnittliche Leistung messen, nicht aber herausfinden, wer der Beste ist. Eine neue Methode, die die Gruppe um Prof. Dr. Kristina Tschulik, Leiterin des Lehrstuhls für Elektrochemie und nanoskalige Materialien an der Ruhr-Universität Bochum, entwickelt hat, ändert das. Sie konnte in Kooperation mit Forscherinnen der Universität Duisburg-Essen belegen, dass würfelförmige Nanopartikel effizienter funktionieren als kugelförmige. Das ebnet den Weg zum gezielten Design günstiger und effizienter Katalysatoren für grünen Wasserstoff. Die Forschenden berichten in der Zeitschrift Advanced Functional Materials vom 3. Januar 2023.
Elektrolyse konkurrenzfähig machen
Aktuell ist die Effizienz des Wasserspaltungsprozesses für die Herstellung von grünem Wasserstoff begrenzt, und es fehlen leistungsfähige, langlebige und kostengünstige Katalysatoren dafür. „Die derzeit aktivsten Elektrokatalysatoren basieren auf den seltenen und teuren Edelmetallen Iridium, Ruthenium oder Platin“, so Kristina Tschulik. „In der Wissenschaft haben wir daher die Aufgabe, neue hochaktive, edelmetallfreie Elektrokatalysatoren zu entwickeln.“
Ihre Gruppe untersucht Katalysatoren in Form von unedlen Metalloxid-Nanopartikeln – eine Million Mal kleiner als ein menschliches Haar. Industriell hergestellt variieren sie in Form, Größe und chemischer Zusammensetzung. „In Messungen werden sogenannte Katalysatortinten untersucht, in denen Milliarden von Partikeln mit Bindern und Additiven vermischt sind“, erklärt Kristina Tschulik. So kann man nur eine durchschnittliche Leistung messen, nicht aber die Aktivität einzelner Partikel – und auf die kommt es an. „Wenn man wüsste, welche Partikelform beziehungsweise Kristallfacette – das sind die Flächen, die nach außen zeigen – besonders aktiv ist, könnte man gezielt Partikel mit genau dieser Form herstellen“, sagt Dr. Hatem Amin, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der analytischen Chemie an der Ruhr-Universität Bochum.
Sieger des Rennens unter den Nanopartikeln
Die Arbeitsgruppe hat eine Methode entwickelt, mit der einzelne Partikel direkt in Lösung analysiert werden können. Dadurch kann man die Aktivität von verschiedenen Nanomaterialien miteinander vergleichen und somit den Einfluss von Partikeleigenschaften wie deren Form und Zusammensetzung auf die Wasserspaltung aufklären. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass Kobaltoxid-Partikel in Form einzelner Würfel aktiver sind als Kugeln, die stets mehrere Facetten aufweisen.
