Ein Katalysator zum Ein- und Ausschalten

Elektrochemische Reaktionen, die für die Zukunft der Energieversorgung eine wichtige Rolle spielen sollen, lassen sich nun durch Messungen der TU Wien und des DESY im Detail erklären.

Die Elektrochemie spielt eine immer größere Rolle: Egal ob es um Brennstoffzellen, Elektrolyse oder chemische Energiespeicher geht – überall dort verwendet man chemische Reaktionen, die mit elektrischem Strom gesteuert werden. Entscheidend ist dabei, dass die Reaktionen möglichst rasch und effizient ablaufen.

Ein wichtiger Schritt nach vorne gelang nun einem Team der TU Wien und des DESY in Hamburg: Man konnte zeigen, dass ein spezielles Material aus Lanthan, Strontium, Eisen und Sauerstoff gezielt zwischen zwei Zuständen hin und her geschaltet werden kann: Im einen Zustand ist das Material extrem katalytisch aktiv, im anderen weniger.

Der Grund dafür liegt im Verhalten winziger Eisenoxid-Nanopartikel an der Oberfläche – das wurde in Experimenten am Deutschen Elektronen-Synchrotron in Hamburg nachgewiesen. Diese Erkenntnis soll es nun ermöglichen, noch bessere Katalysatoren zu entwickeln. Publiziert wurde das Ergebnis nun im Fachjournal „Nature Communications“.

Elektrische Spannung lässt Sauerstoff-Ionen wandern

„Seit Jahren verwenden wir Perowskite für unsere elektrochemischen Experimente“, sagt Prof. Alexander Opitz vom Institut für Chemische Technologien und Analytik. „Das ist eine sehr vielfältige Materialklasse, manche Perowskite eigenen sich sehr gut als Katalysator.“ Die Oberfläche der Perowskite kann dazu dienen, bestimmte Reaktionspartner leichter miteinander in Kontakt zu bringen oder auch wieder zu trennen. „Vor allem haben Perowskite den Vorteil, dass sie durchlässig für Sauerstoff-Ionen sind. Dadurch leiten sie elektrischen Strom, und das machen wir uns zunutze“, erklärt Alexander Opitz.

Wenn man eine elektrische Spannung an den Perowskit anlegt, dann werden Sauerstoff-Ionen von ihrem Platz gelöst und wandern durch das Material. Überschreitet die Spannung einen bestimmten Wert, führt das dazu, dass auch Eisen-Atome im Perowskit zu wandern beginnen. Sie bewegen sich an die Oberfläche und bilden dort winzige Nanopartikel, mit einem Durchmesser von nur wenigen Nanometern. Und genau diese Nanopartikel sind ausgezeichnete Katalysatoren.

„Das Interessante ist nun: Wenn man die elektrische Spannung umkehrt, dann geht die katalytische Aktivität wieder zurück. Und bisher war unklar, woran das liegt“, sagt Alexander Opitz. „Manche Leute hatten vermutet, dass die Eisenatome einfach wieder zurück in den Kristall wandern, aber das stimmt nicht. Um den Ein- und Ausschalt-Effekt zu ermöglichen, müssen die Eisen-Atome ihren Platz an der Material-Oberfläche gar nicht verlassen.“

Analyse mit Röntgenstrahlen am DESY

Das Forschungsteam der TU Wien arbeitete mit einem Team am Elektronen Synchrotron in Hamburg (DESY) zusammen, um dort die Struktur der Nanopartikel mit Röntgenstrahlen genau zu analysieren, während die chemischen Prozesse ablaufen. Und dabei zeigte sich, dass die Nanopartikel zwischen zwei verschiedenen Zuständen hin und her wechseln – je nachdem, welche Spannung angelegt wird: „Wir können das Eisen umschalten, zwischen einem metallischen und einem oxidischen Zustand“, sagt Alexander Opitz. Die angelegte Spannung entscheidet darüber, ob die Sauerstoff-Ionen im Material in Richtung der Eisen-Nanopartikel gepumpt werden, oder von ihnen weg. Damit kann man steuern, wie viel Sauerstoff in den Nanopartikeln enthalten ist, und abhängig von der Sauerstoff-Menge können die Nanopartikel zwei unterschiedliche Strukturen bilden – eine sauerstoffreiche, oxidische, mit geringer katalytischer Aktivität und eine sauerstoffarme, metallische, die katalytisch sehr aktiv ist.

„Das ist für uns eine sehr wichtige Erkenntnis“, betont Alexander Opitz. „Würde das Umschalten zwischen den zwei Zuständen nämlich dadurch entstehen, dass die Eisenatome des Nanopartikels wieder in den Kristall zurückdiffundieren, würde man immer sehr hohe Temperaturen benötigen, um diesen Prozess effizient ablaufen zu lassen. Dadurch, dass wir nun verstehen, dass der Aktivitätswechsel nicht mit Diffusion von Eisenatomen sondern mit dem Wechsel zwischen zwei unterschiedlichen Kristallstrukturen zu tun hat, wissen wir auch, dass vergleichsweise niedrige Temperaturen ausreichen können. Das macht diesen Typ Katalysator noch interessanter, weil er damit potentiell auch für die Beschleunigung technologisch relevanter Reaktionen eingesetzt werden kann.“

Von Wasserstoff bis zum Energiespeicher

Dieser katalytische Mechanismus soll nun weiter untersucht werden, auch bei geringfügig anders zusammengesetzten Materialien. Er könnte für viele Anwendungen eine Effizienzsteigerung bringen. „Gerade für chemische Reaktionen, die im Energiebereich wichtig sind, ist das hochinteressant“, sagt Alexander Opitz. „Etwa, wenn es um die Gewinnung von Wasserstoff oder Synthesegas geht, oder um Energiespeicherung durch die Herstellung von Treibstoff mit elektrischem Strom.“

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Alexander Opitz
Institut für Chemische Technologien und Analytik
Technische Universität Wien
+43 1 58801 15860
alexander.opitz@tuwien.ac.at

Originalpublikation:

Understanding electrochemical switchability of perovskite-type exsolution catalysts, Nature Communications, https://doi.org/10.1038/s41467-020-18563-w

https://www.tuwien.at/tu-wien/aktuelles/news/news/ein-katalysator-zum-ein-und-ausschalten/