Katalysatoren sparsam beschichten Gold in Nanoverpackung

Gold und Platin machen sich nicht nur am Ringfinger gut, es sind auch hervorragende Katalysatoren. Weil sie selten und teuer sind, ist ein sparsamer Einsatz der Edelmetalle angebracht. Hierzu haben nun Forscher der Ruhr-Universität Bochum nun Goldsalze in winzigen Hüllen verpackt und so gleichmäßige, feine Beschichtungen mit Goldnanopartikel realisiert.

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Bochum – Eine neue Methode, um seltene und teure Katalysatoren möglichst sparsam verwenden zu können, hat ein Team um Prof. Dr. Kristina Tschulik und Mathies Evers von der Bochumer Forschungsgruppe für Elektrochemie und Nanoskalige Materialien entwickelt. Die Forscher der Ruhr-Universität Bochum schlossen dazu Edelmetallsalz in winzige Hüllen ein, so genannte Mizellen, und ließen diese auf einer Kohlenstoffelektrode einschlagen. Das in den Mizellen enthaltene Gold legte sich dann Form von Nanopartikeln als dünne Schicht auf die Elektrode.

Während des Prozesses konnte das Team zudem genau analysieren, wie viel des Metalls abgeschieden wurde. Anschließend zeigten die Wissenschaftler, dass die so beschichtete Elektrode effizient die Sauerstoffreduktion katalysieren konnte, welche der limitierende chemische Prozess in Brennstoffzellen ist.

Partikelgröße: Einheitlich dank Polymerhülle

Für die Herstellung ihrer Gold-Nanopartikel spielten die Mizellen eine entscheidende Rolle. Darin hatten die Forscher Chlorgoldsäure als Vorläufermaterial verpackt. Die Polymerhülle der Mizelle gab dabei vor, wie groß die späteren Nanopartikel sind. „Wenn wir Gold-Nanopartikel mithilfe von Mizellen herstellen, haben die Nanopartikel alle eine nahezu identische Größe“, betont Tschulik den Vorteil dieser Methode. Denn in die kleinen Mizellen passt nur eine bestimme Beladung des Vorläufermaterials, aus dem ein einzelnes Partikel mit einer bestimmten Größe entsteht. „Da unterschiedlich große Partikel unterschiedliche katalytische Eigenschaften besitzen, ist es wichtig, die Partikelgröße über die Beladungsmenge der Mizelle zu kontrollieren“, ergänzt die Forscherin.

Beschichtung: Auch bei komplexen Oberflächen gleichmäßig

Die zu beschichtende zylinderförmige Elektrode tauchten die Wissenschaftler in eine Lösung mit den beladenen Mizellen und legten eine Spannung an der Elektrode an. Durch die zufällige Bewegung der Mizellen in der Lösung schlugen sie im Lauf der Zeit auf der Elektrodenoberfläche ein. Dort platzte die äußere Hülle auf und die Gold-Ionen aus der Chlorgoldsäure reagierten zu elementarem Gold, welches an der Elektrodenoberfläche haften blieb – und zwar in Form einer gleichförmigen Schicht aus rund 25 nm großen Nanopartikeln. „Mit Standardmethoden lassen sich nur flache Substrate gleichmäßig beschichten“, sagt Tschulik. „Mit unserem Verfahren können auch komplexe Oberflächen gleichmäßig mit einem Katalysator beladen werden.“

Katalyse besser verstehen

Chemie im Goldschwamm

Mengenkontrolle: Jeder Partikel zählt

Während die Gold-Ionen aus der Chlorgoldsäure zu elementarem Gold reagieren, fließen Elektronen über die Elektrode ab. Den so entstehenden Stromfluss können die Chemiker messen und daraus genau ableiten, wie viel Material beim Beschichten der Elektrode verbraucht wurde. Das Verfahren registriert dabei den Einschlag jedes einzelnen Partikels und auch dessen Größe.

Die mit dem neuen Verfahren beschichteten Elektroden testeten die Wissenschaftler anschließend für die Sauerstoffreduktionsreaktion. Sie erzielten dabei eine ebenso hohe Aktivität wie für nackte Goldnanopartikel, die ohne äußere Hülle aufgetragen wurden. Aufgrund der gleichmäßigen Beschichtung der Oberfläche beobachteten sie dafür schon bei elf Prozent Bedeckung eine fast ebenso hohe Reaktionsrate wie für vollständig mit Gold bedeckte Elektroden und massive Goldelektroden. Hier könnte das Beschichtungsverfahren also zukünftig viel wertvolles Edelmetall sparen, ohne Leistungseinbußen bei der Katalyse.

Originalpublikation: Mathies V. Evers, Miguel Bernal, Beatriz Roldan Cuenya, Kristina Tschulik: Constructive nano‐impacts – One by one synthesis of individual nanoparticles. Angewandte Chemie International Edition, 2019; DOI: 10.1002/anie.201813993

* Dr. J. Weiler, Ruhr-Universität Bochum, 44801 Bochum

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