Wissenschaftler untersuchen katalytische Aktivität von Kupferatomen

Neues Verfahren korreliert atomare Mikroskopie mit der Funktion von Einzelatomkatalysatoren

Brennstoffzellen (Wiki) wandeln chemische Reaktionsenergie in elektrischen Strom und Wärme um. Sie werden unter anderem in der Fahrzeugentwicklung, in der Luft- und Raumfahrt oder zur nachhaltigen Energieversorgung eingesetzt. Bei der Energieumwandlung spielt die katalytische Reduktion von Sauerstoff eine wichtige Rolle. Die Entwicklung von effizienten und günstigen Katalysatoren ist daher extrem wichtig. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) Münster haben nun auf dem Forschungsgebiet der Einzelatomkatalysatoren Fortschritte erzielt: Mit Kollegen des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung (Wiki) in Potsdam und der Universität Paderborn entwickelten sie einen methodischen Ansatz, der die Charakterisierung mit atomarer Auflösung direkt mit der Analyse der elektrochemischen Eigenschaften bei der Reduktion von Sauerstoff verbindet. Dieses Verfahren erlaubt zukünftig, maßgeschneiderte Katalysatoren noch effizienter zu gestalten. Die Studienergebnisse sind im Fachmagazin ACS Nano (Wiki) erschienen.


Hintergrund und Methodik

Herkömmliche Katalysatoren verwenden oft teure Gold- oder Platin-Nanopartikel. Aufgrund der hohen Kosten solcher Edelmetalle versucht man, sie durch kostengünstigere Materialien zu ersetzen und in Form immer kleinerer Partikel zu nutzen. In den vergangenen Jahren hat sich daher das Forschungsfeld von sogenannten Einzelatomkatalysatoren (englisch: single atom catalysts) rasant entwickelt. Hier liegt das Metall nicht mehr in Form von Partikeln vor, sondern als einzelne Atome, die auf einer Oberfläche festgehalten werden. "Dieser Ansatz zeichnet sich dadurch aus, dass diese Atome nur sehr wenige Bindungspartner haben - auch niedrige Koordinierung genannt. Dementsprechend weisen sie eine sehr hohe katalytische Effizienz auf. Das bedeutet, sie haben eine bessere Wirkung hinsichtlich einer bestimmten Reaktion", erklärt Dr. Harry Mönig vom Physikalischen Institut der WWU. Ein wesentliches Problem bei der Entwicklung solcher Einzelatomkatalysatoren stellte bislang die Tendenz der Einzelatome dar, sich zu Partikeln anzuhäufen, was wiederum zu mehr Bindungspartnern und damit zu einem Verlust der katalytischen Effizienz führt.

Für die Studie nutzte das Forschungsteam ein hochgradig geordnetes Netzwerk, durch das sie einzelne Kupferatome mit sehr niedriger Koordinierung stabilisierten. "Hierzu haben wir organische Moleküle auf einer Kupferoberfläche zu einem zweidimensionalen (supramolekularen) Netzwerk verknüpft. Durch eine extrem starke Wechselwirkung zwischen der organischen Schicht und dem Kupfersubstrat werden einzelne Kupferatome aus dem Substrat herausgezogen und 'hängen' sozusagen flexibel zwischen den einzelnen Einheiten des Netzwerks", erläutert Harry Mönig. In einem weiteren Schritt untersuchten die Wissenschaftler, ob die Kupferatome eine katalytische Aktivität zeigen. Hierzu führten sie verschiedene elektrochemische Experimente und begleitende Simulationen durch. Bei dem Verfahren zeigte sich eine robuste Reduktion von Sauerstoff, wodurch die atomaren Eigenschaften der Netzwerke in direkten Zusammenhang mit deren katalytischer Wirkung gebracht werden konnten. Die Verwendung von günstigerem Kupfer anstatt von Gold oder Platin als katalytisches Material, könnte für eine technologische Anwendung einen enormen Kostenvorteil darstellen.

Bereits 2018 hatte das Forschungsteam der WWU in den Laboren des Center for Nanotechnology (CeNTech) (Wiki) eine neue Methode entwickelt, die Einblicke in die Wechselwirkung zwischen Molekülen erlaubt. Mit einem besonderen mikroskopischen Verfahren, der Rasterkraftmikroskopie (englisch: Atomic Force Microscopy) (Wiki) in Verbindung mit atomar definierten Messspitzen, können die Wissenschaftler die strukturellen und chemischen Eigenschaften von organischen Molekülen mit höchster Präzision abbilden. Dieses Verfahren nutzten sie nun, um die zweidimensionalen Netzwerke mit höchster Genauigkeit auf atomarem Level zu untersuchen.


Finanzierung

Die Studie erhielt finanzielle Unterstützung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) (Wiki).


Originalveröffentlichung

Schulze Lammers, B., López-Salas N., Stein Siena, J., Mirhosseini, H., Yesilpinar, D., Heske, J., Kühne T.D., Fuchs, H., Antonietti, M. and Mönig, H. (2022). Real-Space Identification of Non-Noble Single Atomic Catalytic Sites within Metal-Coordinated Supramolecular Networks. ACS Nano. DOI: 10.1021/acsnano.2c04439


Universität Münster

Bild: Ultrahochvakuum-System am Center for Nanotechnology (CeNTech) mit einem Tieftemperatur-Rasterkraftmikroskop, das bei fünf Kelvin betrieben wird und mit einem Aufbau für Photoelektronenspektroskopie verbunden ist. (© Mönig)



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