Mehr Ecken - mehr Wasserstoff

Nanostrukturiertes Molybdändisulfid kann teures Platin als Katalysator ersetzen.

Lyngby (Dänemark) – Für den Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft ist nicht nur eine völlig neue Infrastruktur nötig. Für die Gewinnung und Umsetzung des Gases suchen Wissenschaftler nach effizienteren und vor allem günstigeren Katalysatoren. Statt des teuren Edelmetalls Platin, von dem etwa 50 Gramm in den Brennstoffzellen eines Elektroautos stecken, bietet sich Molybdändisulfid (MoS ₂) an. Dänische Forscher berichten nun in der Zeitschrift „Science“, dass die elektrokatalytische Aktivität von nanostrukturierten MoS ₂ direkt von der Anzahl der Ecken der Nanopartikel abhängt.

„Für die Entwicklung von verbesserten Katalysator-Materialien ist es wichtig, die aktivsten Zonen zu identifizieren“, schreiben Thomas F. Jaramillo und seine Kollegen von der Technischen Universität Dänemark in Lyngby. Mit einem Rastertunnelmikroskop und einer elektrochemischen Zelle verglichen sie daher die Aktivität von MoS ₂-Partikeln in Abhängigkeit vom ihrer Struktur. Dazu bedeckten sie einen hochreinen Träger aus Gold etwa zu einem Viertel mit Molybdän. Nach der Abscheidung des Metalls aus der Gasphase ließen sie dieses kontrolliert mit Schwefelwasserstoff zu Nanopartikeln aus MoS ₂ reagieren.

Nach dieser Reaktion ließ eine Sinterung bei 400 bis 550 Grad Celsius Nanopartikel von unterschiedlicher Größe und einer veränderlichen Anzahl von Ecken entstehen. Je heißer diese Katalysatorschicht behandelt wurde, desto größer wurden die Teilchen in Form eines Polygons mit Durchmessern um einen Nanometer. Nach dieser Strukturanalyse mit einem Rastertunnelmikroskop untersuchte Jaramillo die Reaktionsaktivität in einer elektrochemischen Zelle. Im Zentrum ihres Interesses lag dabei die Verbindung von zwei Protonen mit zwei Elektronen zu molekularem Wasserstoffgas.

„Die Reaktionsrate ist direkt proportional zu der Anzahl der Ecken für alle Proben, unabhängig von der Größe der Partikel“, fassen die Forscher zusammen. Daraus folgern sie, dass in der Tat wie bisher vermutet die Ecken der winzigen Polygone die reaktionsaktiven Stellen bilden. Ihre Testmessungen zeigten, dass damit die Katalyseeigenschaften sogar in den Bereich von elementarem Platin reichen. Allerdings erkannten sie, dass nur jeweils ein Viertel der Eckatome von MoS ₂ tatsächlich die Bildung von molekularem H ₂ unterstützten. „Wenn alle Ecken dazu gebracht werden könnten, Wasserstoffatome zu absorbieren, könnte die Aktivität um einen Faktor vier gesteigert werden“, so die Forscher.

Genau diesen Schritt halten Jaramillo und Kollegen mit weiteren Entwicklungen von nanostrukturierten MoS ₂-Katalysatoren für möglich. Ihre Analyse legt dazu die Grundlage. Sollte dies gelingen, locken günstigere und ebenfalls hoch effiziente Katalysatoren für die Umsetzung von Wasserstoff in Brennstoffzellen und bei der Elektrolyse von Wasser.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Thomas F. Jaramillo et al., Identification of Active Edge Sites for Electrochemical H ₂ Evolution from MoS ₂ Nanocatalysts, Science 317, 100 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1141483
  http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/317/5834/100
• Technische Universität Dänemark, Lyngby:
  http://www.dtu.dk/english.aspx
• Center for Individual Nanoparticle Functionality:
  http://www.cinf.dtu.dk/English.aspx
• Center for Atomic-scale Materials Design:
  http://www.camd.dtu.dk/English.aspx

Weitere Literatur:

• G. A. Somorjai, Introduction to Surface Chemistry and Catalysis (Wiley, New York, 1994).
• J. O. M. Bockris, S. U. M. Khan, Surface Electrochemistry: A Molecular Level Approach. (Plenum, New York, 1993).
• B. E. Conway, B. V. Tilak, Electrochim. Acta 47, 3571 (2002).