Rätsel des platinarmen Nanokatalysators geklärt
Spezielles Elektronenmikroskop zeigt: Kristalline Katalysatorteilchen wachsen nicht gleichmäßig, sondern in mehreren Stufen.
Neuartige Nanopartikel-Katalysatoren könnten die Kosten für Brennstoffzellen dramatisch reduzieren. Ein von Forschern des FZ Jülich und der TU Berlin entwickelter Katalysator kommt mit einem Zehntel der üblichen Platinmenge aus. Mit einer Größe von zehn Nanometern sind die Teilchen des hocheffizienten Katalysatormaterials ungefähr zehntausendmal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Charakteristisch ist ihre Form, die einem Oktaeder – zwei an den Grundflächen aneinandergesetzten Pyramiden – entspricht. Doch wie die oktaedrische Form der Partikel und die besondere Verteilung der Elemente der Platin-Nickel- oder auch Platin-Kobalt-Legierung zustande kommen, war bisher unklar. Diese Informationen sind jedoch entscheidend um Katalysator-Nanopartikel mit optimaler Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit herzustellen. Mithilfe ultrahochauflösender Elektronenmikroskopie konnten die Wissenschaftler nun erstmals zeigen, dass das kristalline Wachstum in unterschiedlichen Stufen verläuft. Die Erkenntnisse könnten helfen, die bislang noch kurze Lebensdauer des Nanokatalysators zu verbessern.
Abb.: Wachstum von neuartigen Katalysatorpartikeln für Brennstoffzellen (von links nach rechts). Bild: FZ Jülich / TU Berlin)
„Aktivität und Stabilität der Partikel hängen entscheidend davon ab, wie die Elemente im Katalysatormaterial verteilt sind. Hierbei kann schon eine einzelne atomare Lage einen großen Unterschied bewirken“, erläutert Marc Heggen vom Ernst-Ruska-Centrum und vom Jülicher Peter-Grünberg-Institut. Wie die Forscher herausfanden, wachsen die kristallinen Katalysatorteilchen nicht gleichmäßig, sondern in mehreren Stufen. Zunächst bildet sich, ausgehend von einem kugelförmigen Keim, innerhalb weniger Stunden ein kreuzförmiges Grundgerüst mit sechs Spitzen, das nahezu ausschließlich aus Platinatomen entsteht. Anschließend lagern sich in einem sehr viel langsameren Wachstumsschritt vorwiegend Nickel- oder Kobaltatome in den entstandenen Mulden an. Wenn die Oberflächen des Oktaeders glatt aufgefüllt sind, stoppt das Wachstum. Die Form gilt für diese Art Katalysatoren als ideal, weil die chemischen Reaktionen an den Oberflächen besonders effektiv ablaufen.
Die Ungleichverteilung der Elemente während des Wachstums bleibt im Oktaeder erhalten und hat entscheidenden Einfluss auf sein katalytisches Verhalten. „Dass wir nun genauer verstehen, wie solche binären Partikel bei der Herstellung wachsen, wird dabei helfen, die Effizienz und Stabilität schon bald weiter zu verbessern“, ist sich Heggen sicher. Um mit atomarer Genauigkeit zu erkennen, wo sich welches Element befindet, nutzten die Forscher eines der weltweit höchstauflösenden Elektronenmikroskope am ER-C, einer Einrichtung der Jülich Aachen Research Alliance. Dabei wird der Elektronenstrahl fein gebündelt durch die Probe geschickt. Durch die Wechselwirkungen mit der Probe verliert er einen Teil seiner Energie, wodurch jedes Element in der Probe wie mit einem Fingerabdruck eine charakteristische Spur hinterlässt. Herkömmliche Elektronenmikroskope können solche chemischen Signaturen nicht mit atomarer Auflösung erkennen.
FZJ / RK
