Durch Dynamik das Sabatierprinzip in den Griff bekommen

8. September 2020

Wissenschaftler*innen von der Universität Innsbruck und der Theorie Abteilung des Fritz-Haber-Instituts finden hochgradig dynamische Veränderungen an der Oberfläche laufender Kupfer-Elektrokatalysatoren. Diese Veränderungen sind der Schlüssel für die gute Funktionsweise und könnten in Zukunft gezielter gestaltet werden.

Künstlerische Darstellung der sich dynamisch verändernden Katalysatoroberfläche.

Katalysatoren beschleunigen chemische Reaktionen und machen diese so in technologischem Umfang nutzbar. Auch für eine nachhaltige Energieversorgung werden sie daher mehr denn je gebraucht, da sie zum Beispiel das Herz von Brennstoffzellen bilden, die chemische in elektrische Energie umwandeln. Auch zur Erzeugung synthetischer Kraftstoffe sind effiziente Katalysatoren wichtig. Sehr oft bestehen diese Katalysatoren aber aus seltenen Elementen wie Platin oder Iridium, die in der Beschaffung sehr kostenintensiv sind oder gar nicht in den Mengen zur Verfügung stehen, die für eine globale Energieversorgung gebraucht würden. Deshalb sucht man in der Katalyseforschung nach verfügbareren Alternativen.

Bei der Suche hilft das jahrhundertalte ‚Sabatierprinzip‘: Ein gutes Katalysatormaterial sollte die an der chemischen Reaktion beteiligten Moleküle nicht zu stark und nicht zu schwach binden. Stark genug, um ihre Bindungen für die Reaktion zu aktivieren; schwach genug, um die Moleküle nicht für immer an sich zu binden. Leider gelten für viele Materialien sogenannte Skalenrelationen. Verschiedene Moleküle werden entweder alle stärker oder alle schwächer gebunden, während man oft Substanzen bräuchte, die gezielt bestimmte Moleküle stärker, andere aber schwächer an ihre Oberfläche binden.

In ihrer in Nature Catalysis erschienenen Arbeit zeigt das Team um Frau Prof. Julia Kunze-Liebhäuser von der Universität Innsbruck und Herrn Prof. Karsten Reuter, Direktor der Abteilung Theorie am Fritz-Haber-Institut, dass Kupfer-Katalysatoren (Cu) bei der Elektrooxidationsreaktion von Kohlenmonoxid (CO) eine ganz eigene Lösung zu diesem Problem gefunden haben. Kohlenmonoxid ist ein Zwischenprodukt, das bei der Umwandlung von Brennstoffen in Brennstoffzellen entsteht. Damit die Brennstoffzelle nicht vergiftet wird, muss es entsorgt werden – dafür ist die Elektrooxidationsreaktion verantwortlich.

Bei der Reaktion beobachteten die Wissenschaftler*innen, dass die Kupfer-Oberfläche kontinuierlich umgewandelt wird und sich laufend kleine Inseln bestehend aus wenigen Kupfer-Atomen bilden. In diesen hervorstehenden, nur nanometergroßen Clustern speichert sich die Ladung adsorbierender geladener Moleküle. Bei der untersuchten Elektrooxidationsreaktion im verwendeten alkalischen Elektrolyten ist dies speziell die Ladung der beteiligten Hydroxid (OH-) Ionen. Dies führt zu fundamental anderen Bindungseigenschaften zum Katalysator als beim neutralen Reaktionspartner CO. Die Hydroxid Ionen werden schwächer gebunden, das CO stärker – genau die erforderliche Mischung für die beobachtete hohe katalytische Aktivität.

Die hierdurch angedeutete Möglichkeit, die Bindungsstärke für geladene und neutrale Moleküle durch nanometrische Cluster auf der Katalysatoroberfläche separat und entkoppelt zu verändern, könnte einen komplett neuen Zugang zur Erfüllung des Sabatierprinzips darstellen. Bei Kupfer bilden sich diese Cluster spontan während der dynamischen Umwälzung der Oberfläche unter Reaktionsbedingungen. In Zukunft könnte man sie aber auch gezielt erzeugen.

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