Pfiffige Suche nach Katalysatoren
Alle möglichen Kombinationen aus fünf Elementen gebündelt auf einem Träger.
Bei der Suche nach Katalysatoren für die Energiewende sind Materialien aus mindestens fünf Elementen besonders vielversprechend. Nur gibt es davon theoretisch millionen Variationen – wie findet man da die leistungsstärkste? Einem Bochumer Forschungsteam unter Leitung von Alfred Ludwig ist es gelungen, in einem einzigen Schritt alle möglichen Kombinationen aus fünf Elementen auf einem Träger unterzubringen. Zusätzlich entwickelten die Forschenden eine Methode, um das elektrokatalytische Potenzial jeder einzelnen der Kombinationen in dieser Mikromaterialbibliothek im Hochdurchsatz zu analysieren. So wollen sie die Suche nach potenziellen Katalysatoren um ein Vielfaches beschleunigen.
Bei der Herstellung von Materialbibliotheken von Hochentropielegierungen setzen die Bochumer Forschenden auf ein Sputterverfahren. Dabei werden alle Ausgangstoffe zeitgleich aus verschiedenen Richtungen auf einen Träger aufgebracht. Auf jeder Stelle des Trägers schlagen sich die Ausgangsstoffe in verschiedenen Mischungsverhältnissen nieder. „Dieses Verfahren haben wir in der aktuellen Arbeit durch den Einsatz von Lochblenden so verfeinert, dass jede Materialmischung nur noch in einem winzigen Punkt von etwa einhundert Mikrometer Durchmesser auf dem Träger entsteht“, beschreibt Alfred Ludwig. „Durch die Miniaturisierung der Materialbibliotheken sind wir jetzt in der Lage, ein komplettes Fünf-Komponentensystem auf einem einzigen Träger unterzubringen – ein enormer Fortschritt“, ergänzt Lars Banko, der seit kurzem das EXIST-geförderte Startup Projekt xemX leitet.
Für die Untersuchung der so entstandenen Materialien nutzen die Forschenden die „Scanning Electrochemical Cell Microscopy“, kurz SECCM. Dabei werden über einen hängenden Nanotropfen eines Elektrolyts mit einem Tausendstel des Durchmessers eines Haares die elektrochemischen Eigenschaften des Materials in einem bestimmten Punkt gemessen. „Das erlaubt es uns, im Hochdurchsatz die Kandidaten mit der höchsten katalytischen Aktivität ausfindig zu machen, bei denen eine genauere Untersuchung lohnenswert erscheint“, sagt Wolfgang Schuhmann von der Ruhr-Universität. Mittels dieser Methoden wollen die Forschenden die Überfülle möglicher Materialien für neue Katalysatoren effizient durchsuchen, um katalytisch besonders aktive Kandidaten ausfindig zu machen. Katalysatoren werden zum Beispiel für Energiewandlungsprozesse benötigt, die es unter anderem ermöglichen könnten, Grünen Wasserstoff im großen Maßstab als umweltfreundlichen Energieträger zu nutzen.
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