Berliner und Jülicher Forscher konnten mithilfe ultrahochauflösender Elektronenmikroskopie zeigen, dass das kristalline Wachstum von neuartigen Katalysatorpartikeln für Brennstoffzellen in mehreren Stufen verläuft. In der letzten Phase des Wachstums lagern sich bevorzugt Nickelatome (grün) in den Hohlräumen zwischen den sechs Armen an und komplettieren die Oktaederform (rechts). Am Ende sind die Nickel- und Platinatome nicht gleichmäßig im Katalysatorpartikel verteilt.
Forschungszentrum Jülich/TU Berlin
Forscher aus Berlin und Jülich haben einen Nanopartikel-Katalysator entwickelt, der mit einem Zehntel der üblichen Platinmenge auskommt. Wie die oktaedrische Form der Partikel und die besondere Verteilung der Elemente zustande kommen, war bislang jedoch unklar. Mithilfe ultrahochauflösender Elektronenmikroskopie konnten die Wissenschaftler erstmals zeigen, dass das kristalline Wachstum in unterschiedlichen Stufen verläuft. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in Science.
Mithilfe solcher Nanokatalysatoren lassen sich die Kosten für Brennstoffzellen dramatisch reduzieren, wie die Forscher betonen. Die Erkenntnisse könnten helfen, die bislang noch kurze Lebensdauer zu verbessern.
Mit einer Größe von zehn Nanometern sind die Teilchen des hocheffizienten Katalysatormaterials ungefähr zehntausendmal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares, liefern die Wissenschaftler einen Vergleich zur Vorstellbarkeit. Charakteristisch sei ihre Form, die einem Oktaeder - zwei an den Grundflächen aneinandergesetzten Pyramiden - entspricht.
Auf welche Weise sich die Oktaederform während des Wachstums ausbildet und wie sich dabei die Elemente der Platin-Nickel- oder auch Platin-Kobalt-Legierung verteilen, war bislang unbekannt. Diese Informationen sind jedoch entscheidend um Katalysator-Nanopartikel mit optimaler Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit herzustellen, betonen die Forscher.
Katalysatorteilchen wachsen nicht gleichmäßig
"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 Dr. Marc Heggen vom Ernst Ruska-Centrum (ER-C) und vom Jülicher Peter Grünberg Institut. Wie die Forscher des Forschungszentrums Jülich, der Technischen Universität Berlin und der Tsinghua Universität in China 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, berichten die Wissenschaftler und fügen hinzu: "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 seien, stoppe das Wachstum. Die Form gelte für diese Art Katalysatoren als ideal, weil die chemischen Reaktionen an den Oberflächen besonders effektiv abliefen.
Die Ungleichverteilung der Elemente während des Wachstums bleibe im Oktaeder erhalten und habe 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.
Elektronenmikroskop im Einsatz
Um mit atomarer Genauigkeit zu erkennen, wo sich welches Element befindet, nutzten die Forscher ein Elektronenmikroskop am ER-C, eine Einrichtung der Jülich Aachen Research Alliance. Dabei wird Angaben zufolge der Elektronenstrahl fein gebündelt durch die Probe geschickt. Durch die Wechselwirkungen mit der Probe verliere er einen Teil seiner Energie, wodurch jedes Element in der Probe wie mit einem Fingerabdruck eine charakteristische Spur hinterlässt.
Nachgelesen werden können die Ergebnisse in Science (Originalveröffentlichung:
Element-specific anisotropic growth of shaped platinum alloy nanocrystals, L. Gan, C. Cui, M. Heggen, F. Dionigi, S. Rudi, P. Strasser, Science, published online: 19. December 2014; DOI: 10.1126/science.1261212 2).