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Materialforschung Strategische Suche nach Elektrokatalysatoren

Von Meike Drießen*

Einen guten Elektrokatalysator zu machen, funktioniert wie in der Küche: Es kommt auf die richtigen Zutaten im richtigen Verhältnis an. Um das passende Rezept zu finden, könnte man hunderte einzelne Versuche durchführen – doch Forscher der Ruhr-Universität Bochum haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich auf einen Streich gleich 342 Ansätze erstellen und auf Trends hin analysieren lassen.

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Ein Blick auf die Sputteranlage an der RUB, mit der die Materialbibliotheken hergestellt wurden.
Ein Blick auf die Sputteranlage an der RUB, mit der die Materialbibliotheken hergestellt wurden.
(Bild: Christian Nielinger)

Bochum – Viele industriell umgesetzte chemische Reaktionen sind erst durch den Einsatz von Katalysatoren Wirtschaftlich oder überhaupt durchführbar. Die Suche nach neuen Katalysatoren gehört folglich zu einer der Hauptaufgaben der Chemie. Vielversprechend für den Bereich der Elektrochemie sind beispielsweise Materialien, die aus fünf oder mehr Elementen zusammengesetzt sind. Sie haben oft das Potenzial, als Elektrokatalysatoren die Erzeugung von grünem Wasserstoff zu erleichtern.

Ein Team der Ruhr-Universität Bochum (RUB) und der Universität Kopenhagen hat nun eine effiziente Methode entwickelt, die aussichtsreichen Kandidaten in den unzähligen möglichen Materialien ausfindig zu machen. Dazu kombinierten die Forscher Experimente und Simulation.

Große Vielfalt – viel Arbeit

Der Fokus der Wissenschaftler liegt bei ihrer Suche nach dem bestmöglichen Elektrokatalysator auf Hochentropielegierungen, kurz HEAs. Das sind eben jene chemisch komplexen Materialien, die aus Mischungen von fünf oder mehr Elementen bestehen. In ihrer Komplexität liegt nicht nur das Geheimnis ihrer potenziell hohen Katalyseleistung, sondern auch ihr Nachteil. „Das Problem mit HEAs ist, dass im Prinzip Millionen Hochentropiesysteme möglich sind und jedes System zehntausende verschiedene Zusammensetzungen beinhaltet“, erklärt Prof. Dr. Alfred Ludwig, der an der RUB den Lehrstuhl Materials Discovery and Interfaces leitet. Mit konventionellen Methoden und traditionellen Hochdurchsatzverfahren ist dieser Komplexität kaum beizukommen.

Mit fünf Sprühdosen den Katalysetrends auf der Spur

In ihrer Arbeit beschreiben die Forscher eine neue Methode, die helfen soll, erfolgversprechende Hochentropielegierungen für die Elektrokatalyse ausfindig zu machen. Im ersten Schritt hat das Team eine Möglichkeit entwickelt, möglichst viele potenzielle Zusammensetzungen herzustellen. Dafür nutzten die Wissenschaftler eine Sputteranlage, die die fünf beteiligten Ausgangsstoffe zeitgleich auf einen Träger aufbringt. „Das kann man sich wie fünf Sprühdosen vorstellen, die auf einen Punkt des Ziels gerichtet sind“, erläutert RUB-Forscher Dr. Lars Banko. Auf jedem der 342 Punkte des Trägers entsteht so eine bestimmte Zusammensetzung der fünf Ausgangsmaterialien. Da diese Zusammensetzung auch durch die Position der Quellen der Ausgangsstoffe beeinflusst wird, veränderte das Forschungsteam diese im Experiment. In die anschließenden Messungen flossen Daten aus den Herstellungsprozessen mit sechs verschiedenen Konstellationen der Quellen ein.

Das Team der RUB-Elektrochemie untersuchte die so beschichteten Träger dann auf ihre elektrokatalytische Aktivität und Stabilität. „So können wir Trends ausmachen, an welchen Stellen sich mögliche erfolgversprechende Kandidaten befinden“, erklärt Dr. Olga Krysiak, mit Lars Banko Erstautorin der Arbeit. Um der Zusammensetzung der Materialien noch näher zu kommen, glich das Team diese Daten aus dem Experiment mit einem großen Simulationsdatensatz von der Universität Kopenhagen ab. Der Vergleich zwischen Simulation und Experiment ermöglicht es, bis auf die atomare Skala von Elektrokatalysatoren vorzudringen, die statistische Anordnung von Atomen an der Materialoberfläche abzuschätzen und deren Einfluss auf die katalytische Aktivität zu bestimmen.

Originalveröffentlichung: Lars Banko, Olga A. Krysiak, Jack K. Pedersen, Bin Xiao, Alan Savan, Tobias Löffler, Sabrina Baha, Jan Rossmeisl, Wolfgang Schuhmann, Alfred Ludwig: Unravelling Composition–Activity–Stability Trends in High Entropy Alloy Electrocatalysts by Using a Data-Guided Combinatorial Synthesis Strategy and Computational Modeling, Advanced Energy Materials, 2022, DOI: 10.1002/aenm.20210331

* M. Drießen, Ruhr-Universität Bochum, 44801 Bochum

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