18.01.2023

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. 

Abb.: In jeder Ansammlung von Punkten befindet sich eine einzelne...
Abb.: In jeder Ansammlung von Punkten befindet sich eine einzelne Mikro­bibliothek – jede einzelne davon enthält eine Zusammen­setzungsvariation. (Bild: L. Banko)

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.

RUB / JOL

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