Fahndung verbessert Zehntausende potenzielle Katalysatoren auf Haaresbreite

Katalysatoren können die Energiewende unterstützen. Man denke an die Nutzung von Wasserstoff. Doch die Suche nach den Besten gleicht einer Sisyphosarbeit. Das könnte sich nun ändern.

Katalysatoren werden zum Beispiel für Energieumwandlungsprozesse benötigt, die es schaffen könnten, grünen Wasserstoff im großen Maßstab als umweltfreundlichen Alternativ-Energieträger zu nutzen. Bei der Suche nach Katalysatoren, die mehr Schwung in die Energiewende bringen könnten, sind Materialien aus mindestens fünf Elementen besonders vielversprechend, heißt es. Nur gibt es davon theoretisch Millionen – wie findet man bei dieser Menge das leistungsstärkste?

Dieser Frage stellte sich ein Forschungsteam unter Leitung von Prof. Dr. Alfred Ludwig, Leiter des Lehrstuhls Materials Discovery and Interfaces, MDI. Dieser Forschergruppe ist es jetzt gelungen, in einem einzigen Schritt alle möglichen Kombinationen aus fünf Elementen auf einem Träger unterzubringen. Zusätzlich, wird betont, entwickelten die Forscher eine Methode, um das elektrokatalytische Potenzial jeder einzelnen Kombination im Hochdurchsatz zu analysieren. So wollen sie die Suche nach potenziellen Katalysatoren für die Energiewende um ein Vielfaches beschleunigen.

Miniaturisierungserfolg beschleunigt Katalysatorsuche

Bei der Herstellung von Materialbibliotheken – sogenannter Hochentropielegierungen – setzen die Bochumer Forscher auf ein Sputterverfahren, bei dem alle Ausgangsstoffe gleichzeitig aus verschiedenen Richtungen auf einen Träger appliziert werden. Auf jeder Stelle des Trägers schlagen sich dann die Ausgangsstoffe in verschiedenen Mischungsverhältnissen nieder. Dieses Verfahren konnte durch Lochblenden dabei so verfeinert werden, dass jede Materialmischung als winziger Punkt von etwa 100 Mikrometer Durchmesser auf dem Träger, beschreibt Ludwig. Dies entspreche ungefähr dem Durchmesser eines menschlichen Haars (0,06 bis 0,08 Millimeter). Durch die erfolgreiche Miniaturisierung der Materialbibliotheken sind die Forscher jetzt in der Lage, ein komplettes 5-Komponenten-System auf einem einzigen Träger unterzubringen, was als enormer Fortschritt gilt

Nanotropfen verraten beste Katalysator-Kandidaten

Für die Untersuchung der so entstandenen Materialien im Miniformat nutzen die Forscher die sogenannte Scanning Electrochemical Cell Microscopy, kurz SECCM. Dabei werden über einen hängenden Nanotropfen eines Elektrolyts mit einem Tausendstel des Durchmessers eines Haares die elektrochemischen Eigenschaften des Materials in einem bestimmten Punkt gemessen. Das erlaubt die Analyse im Hochdurchsatz, um die aussichtsreichsten Kandidaten mit der höchsten katalytischen Aktivität ausfindig zu machen. Diese werden dann genauer unter die Lupe genommen. Mittels dieser Methoden will man folglich an der Ruhr-Universität Bochum die Riesenmenge möglicher Materialien für effektivere Katalysatoren wesentlich schneller durchforsten, um katalytisch besonders aktive Kandidaten ausfindig zu machen.

Anmerkung: Die Arbeiten wurden gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen der Sonderforschungsbereiche/Transregios 87 (Projekt 138690629) und 247 (Projekt 388390466). Auch der Europäische Forschungsrat (Cascat [833408] und Marie Skłodowska-Curie MSCA-ITN Single-Entity Nanoelectrochemistry Sentinel [812398]) unterstützten das Vorhaben. (pk)

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