Materialforschung Neue Katalysatorklasse verspricht Energieumwandlung mit weniger Verlusten

Forscher der Ruhr-Universität Bochum (RUB) und des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung in Düsseldorf haben eine neue, prinzipiell universell einsetzbare Katalysatorklasse entdeckt. Diese Hochentropielegierungen zeigen physikalische Eigenschaften, die für viele in der Energiewende relevanten Anwendungen vielversprechend sind. Denn sie könnten die seit Jahrzehnten unverrückbaren Grenzen herkömmlicher Katalysatoren sprengen.

Anbieter zum Thema

Haus der Technik e.V.

NESS Wärmetechnik GmbH

Glatt Ingenieurtechnik GmbH

Ruhr-Universität Bochum

Bochum – Viele der für die Energiewende wichtigen chemischen Reaktionen sind sehr komplex und laufen nur unter großen Energieverlusten ab. Das verhindert bisher die breite Anwendung von Energiewandlungs- und Speichersystemen oder Brennstoffzellen. Dank der besonderen Eigenschaften von Hochentropielegierungen könnte sich das bald ändern.

Die Materialklasse der Hochentropielegierungen zeigt physikalische Eigenschaften, die für viele Anwendungen vielversprechend sind. Bei der Sauerstoffreduktion erreichten sie bereits die (Aktivität eines Platinkatalysators).

Am Lehrstuhl für Werkstoffe der Mikrotechnik der RUB gibt es laut Prof. Dr. Alfred Ludwig einzigartige Methoden, um diese komplexen Materialien aus fünf Ausgangselementen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen in Form von Schicht- und Nanopartikelbibliotheken herzustellen. Die Atome der Ausgangselemente vermischen sich im Plasma und bilden in einem Substrat aus ionischer Flüssigkeit Nanopartikel. Je näher an einer der fünf Atomquellen sich ein Partikel bildet, desto höher ist der Anteil dieses Elements im Partikel. In der Elektrokatalyse sei der Einsatz dieser Materialien bisher nahezu unerforscht, so Ludwig.

Einzelne Reaktionsschritte beeinflussen

Das soll sich nun ändern. Die Forscher haben die einzigartigen Wechselwirkungen der verschiedenen benachbarten Elemente postuliert, die es ermöglichen, Edelmetalle gleichwertig ersetzen zu können. Die neuesten Forschungen and der RUB zeigen noch weitere Besonderheiten, zum Beispiel dass diese Klasse möglicherweise auch die Abhängigkeit der einzelnen Reaktionsschritte untereinander beeinflussen kann. Damit würde sie zur Lösung eines großen Problems der Energieumwandlung beitragen: der großen Energieverluste. Die theoretischen Möglichkeiten scheinen fast zu gut, um wahr zu sein, so Tobias Löffler, Doktorand am Zentrum für Elektrochemie am Lehrstuhl für Analytische Chemie der RUB.

Grundlage für weitere Forschung

Um schnell weitere Fortschritte in der Forschung zu erzielen, hat das Bochumer und Düsseldorfer Team seine ersten Erkenntnisse zur Deutung seiner Beobachtungen beschrieben, Herausforderungen erläutert und erste Richtlinien vorgeschlagen, die einen erfolgreichen Forschungsfortschritt versprechen. Die Komplexität der Legierung spiegelt sich in den Forschungsergebnissen wieder, und es sind noch einige Untersuchungen notwendig, bevor das tatsächliche Potenzial abgeschätzt werden kann. Jedoch gibt es Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann, Inhaber des Lehrstuhls Analytische Chemie der RUB, zufolge bisher keine Erkenntnisse, die einem Durchbruch generell im Wege stünden.

Visualisierung in 3D

Der Erforschung dient zudem die Charakterisierung der Katalysatornanopartikel. Um Hinweise über die Wirkung der exakten Struktur auf die Aktivität zu erlangen, sei eine hochauflösende Visualisierung der Katalysatoroberfläche auf atomarer Ebene hilfreich, am besten in 3D, erklärt Prof. Dr. Christina Scheu vom Max-Planck-Institut für Eisenforschung in Düsseldorf. Dass dieses Ziel erreichbar ist, haben Forscher bereits gezeigt, wenn auch noch nicht für diese Katalysatorklasse.

Ob mit solchen Katalysatoren tatsächlich der Wandel zu einer nachhaltigen Energiewirtschaft gelingen kann, ist noch nicht klar. Mit ihrer Arbeit wollen die Wissenschaftler die Grundlagen für Forschungen in diesem Themengebiet schaffen.

Originalveröffentlichung: Tobias Löffler, Alan Savan, Alba Garzón-Manjón, Michael Meischein, Christina Scheu, Alfred Ludwig, Wolfgang Schuhmann: Toward a paradigm shift in electrocatalysis using complex solid solution nanoparticles, in: ACS Energy Letters, 2019, DOI: 10.1021/acsenergylett.9b00531, https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.9b00531

(ID:45901431)