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Forscher erzeugen „Super-Katalysator“

Nanoporöser Katalysator enthält 14 katalytisch wirkende Metalle auf einmal

Super-Katalysator
Der neue "Super-Katalysator" besteht aus 14 Metallen, deren Atome nahezu homogen gemischt sind, und der eine poröse Struktur besitzt. © Takeshi Fujita

Neuer Rekord: Forscher haben erstmals ein katalytisches Material erzeugt, das gleich 14 homogen gemischte Metalle enthält. Eine solche Multielement-Legierung gilt als „Super-Katalysator“ – als besonders haltbarer und vielseitig einsetzbarer Reaktionsbeschleuniger. Der nanoporöse Multielement-Katalysator könnte unter anderem die Wasserspaltung durch Elektrolyse energiesparender machen, wie das Team im Fachmagazin „Chemical Science“ berichtet.

Katalysatoren sind schon heute unverzichtbare Helfer in Chemie und Technik. Doch eine besonders wichtige Rolle könnten Katalysatoren für die Energiegewinnung und Antriebe der Zukunft spielen. Denn sie bestimmen, wie effizient die Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse abläuft und wie gut Brennstoffzellen funktionieren. Außerdem werden sie für die Umwandlung von CO2, Plastikmüll oder Pflanzenresten in Kraftstoffe und andere nutzbare Verbindungen benötigt.

Synergie-Effekte durch Elementkombination

Vor allem für die Elektrolyse suchen Forscher aber noch immer nach Katalysatoren, die die Wasserspaltung möglichst stromsparend machen. Als vielversprechende Kandidaten dafür gelten sogenannte Hoch-Entropie-Legierungen (HEA) – Materialien, die aus mehreren homogen gemischten und in nahezu gleichen Anteilen enthaltenen Metallen bestehen. Durch Synergie-Effekte sind diese Legierungen nicht nur effektive Katalysatoren, sie sind auch besonders hart, stabil und widerstandsfähig gegenüber Oxidation, Korrosion, Abnutzung und anderen Degradierungen.

„Die aktiven Oberflächen solcher Hoch-Entropie-Legierungen bestehen aus Millionen verschiedener Atomanordnungen und dadurch haben immer einige Oberflächenstellen optimale katalytische Eigenschaften, durch die sie Mängel aktueller Katalysatoren überwinden könnten“, erklären Ze-Xing Cai von der Technischen Universität Kochi in Japan und seine Kollegen. Solche Multielement-Legierungen herzustellen ist jedoch alles andere als einfach – viele Metalle lassen sich nicht einfach mischen und auch die Homogenität ist schwer zu erreichen.

Mischung aus 14 Metallen

Jetzt ist es Cai und seinen Kollegen erstmals gelungen, einen Multielement-Katalysator aus gleich 14 Metallen zu erzeugen. Das neuartige Material besteht aus einer gleichförmigen Mischung der Metalle Aluminium, Silber, Gold, Kobalt, Kupfer, Eisen, Iridium, Molybdän, Nickel, Palladium, Platin, Rhodium, Ruthenium und Titan. „Diese Elemente gehören damit zu den Übergangsmetallen und Edelmetallen, die besonders oft als Katalysatoren eingesetzt werden“, schreibt das Team.

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Herstellung
Der Multielement-Katalysator entsteht, indem zunächst eine Aluminium-dominierte Legierung der Metalle hergestellt wird. Dann wird der größte Teil des Aluminiums elektrochemisch entfernt und es bleibt ein poröses, homogen gemischtes Material zurück. © Takeshi Fujita

Um diese Metalle in die gewünschte Mischung zu bringen, nutzten die Forscher einen Trick: Sie erstellten zunächst eine Legierung, in der Aluminium dominierte und quasi als Puffer für die restlichen, in geringeren Anteilen eingemischten Metalle wirkte. Dann lösten sie einen Großteil des Aluminiums durch eine Kombination von alkalischen Lösungsmitteln und elektrochemischen Reaktionen wieder heraus.

In der Elektrolyse besser als gängige Katalysatoren

Das Resultat ist ein Material, in dem die 14 verschiedenen Metalle in nahezu gleichen und weitgehend homogen verteilten Anteilen enthalten sind, wie Analysen mittel Röntgenstreuung ergaben. Noch interessanter für einen Katalysator aber ist die interne Struktur dieser neuen Hoch-Entropie-Legierung: Die Metallatome bilden eine poröse, schwammartige Struktur mit fünf bis 50 Nanometer großen Hohlräumen – dies verleiht ihnen eine große Oberfläche und damit viel Reaktionsfläche für katalytische Reaktionen.

Wie gut dieser „Super-Katalysator“ funktioniert, testeten Cai und seine Kollegen in verschiedenen Elektrolyse-Ansätzen. Dabei zeigte sich: „Die elektrochemische Stabilität und die katalytische Aktivität erweisen sich sowohl bei der Wasserstoffproduktion als auch der Sauerstofferzeugung in sauren Medien als der von kommerziellen Katalysatoren wie Platin/Graphen oder Iridiumdioxid überlagen“, berichten die Forscher.

Chancen auf den „Omni-Katalysator“

Nach Ansicht der Wissenschaftler bieten solche Hoch-Entropie-Legierungen und ihre Methode der Herstellung solcher Multielement-Katalysatoren die Möglichkeit, künftig maßgeschneiderte haltbare und effektive Katalysatoren für verschiedenste Anwendungszwecke zu erzeugen. Vor allem für die Wasserstoffproduktion mittels Elektrolyse – beispielsweise direkt in Offshore-Windparks – könnte dies wertvolle Fortschritte in Effizienz und Energie-Ersparnis bringen.

„Gleichzeitig eröffnet sich die beispiellose Chance, gezielt Elemente für einen omnipotenten Katalysator zusammenzustellen“, schreiben Cai und seine Kollegen. Ein solches Material wäre ein echter Alleskönner unter den Katalysatoren und könnte für mehrere Zwecke gleichermaßen eingesetzt werden. (Chemical Science, 2021; doi: 10.1039/d1sc01981c)

Quelle: Japan Science and Technology Agency

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