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Ein Material fast nur aus Oberfläche

Von Kohlepulver zum Katalysator – in nur einem Schritt

| Autor / Redakteur: Birte Vierjahn * / Christian Lüttmann

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der nur wenige Nanometer dünnen Wände aus Kohlenstoff.
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Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der nur wenige Nanometer dünnen Wände aus Kohlenstoff. (Bild: UDE / N. Wöhrl, S. Tigges)

Kaum eine industrielle Reaktion läuft ohne Katalysator. Für viele Prozesse kommt Platin als aktives Material zum Einsatz. Wie sich daraus zusammen mit Kohlenstoffpulver in nur einem Schritt ein leistungsstarkes und langzeitstabiles Katalysatormaterial herstellen lässt, haben nun Physiker der Universität Duisburg-Essen herausgefunden.

Duisburg – Ohne Katalysatoren geht nicht viel: Mehr als 80% aller chemisch hergestellten Produkte durchlaufen in ihrer Herstellung einen katalytischen Schritt. Das aktive Material ist meist Platin oder ein anderes Edelmetall, die Herstellung ist entsprechend teuer und erfordert mehrere Vorgänge. Physiker der Universität Duisburg-Essen (UDE) haben nun ein Verfahren zum Patent angemeldet, das in einem einzigen Schritt hochaktives und langzeitstabiles Katalysatormaterial entstehen lässt.

Das von den Physikern Dr. Nicolas Wöhrl und Sebastian Tigges hergestellte Katalysatormaterial besteht fast nur aus Oberfläche – perfekt für die Katalyse: Je mehr Oberfläche zur Verfügung steht, desto mehr Reaktionen können gleichzeitig stattfinden.

Feldlinien aus Kohlenstoffpulver

Entstanden ist das vielversprechende Material in einer Plasma-Beschichtungsanlage. Dazu haben die Wissenschaftler ein kohlenstoffhaltiges Pulver, das auch Platin-Atome enthält, verdampfen lassen und durch ein Trägergas in die Plasmaanlage eingeleitet. Bei rund 350 °C bilden sich dort selbstorganisiert nur wenige Nanometer dicke Kohlenstoffwände entlang elektrischer Feldlinien aus. Die Platin-Nanopartikel bauen sich gleich von selbst mit ein.

„Als Wissenschaftler muss man auch mal Glück haben“, meint Wöhrl. „Es hat schnell gut funktioniert. Die Partikel hatten mit rund 1,8 Nanometern die richtige Größe, sind frei von Verunreinigungen und sie haben sich direkt in den Wänden abgesetzt.“ Derzeit prüfen die Forscher, wie weit die Partikel in den Wänden verankert sein müssen, um permanent dort zu bleiben, gleichzeitig aber weit genug herausragen, um als katalytische Zentren zu dienen. Verteilung und chemische Struktur von Wänden und Nanopartikeln lassen sich unabhängig voneinander durch die Prozessführung steuern.

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24.06.19 - Edelmetalle sind oft effiziente Katalysatoren. Aber sie sind teuer und selten. Wie effizient edelmetallfreie Alternativen sind, ist bislang jedoch schwer zu bestimmen. Mithilfe elektrochemischer Analysen einzelner Partikel ist es Forscherinnen und Forschern von der Ruhr Universität Bochum nun gelungen, die Aktivität und den Stoffumsatz von Nanokatalysatoren aus Cobalt-Eisenoxid zu bestimmen – und zwar ohne Bindemittel. lesen

Upscaling in Arbeit

Im Projekt „MoRE InnoMat“ arbeiten die Physiker mit Chemikern der UDE und mit Industriepartnern zusammen, die den bereits zum Patent angemeldeten Prozess auf ihre Maßstäbe skalieren. Gemeinsam mit dem Zentrum für Brennstoffzellentechnik entsteht derzeit ein Demonstrator von wenigen Quadratzentimetern Fläche für die Entwicklung einer Mikro-Brennstoffzelle.

„Wir sind generell offen für Kooperationen mit verschiedenen Fachbereichen“, sagt Wöhrl. „Nur so können wir die Grenzen unseres Prozesses ausloten.“ Und Wöhrls Kollege Tigges ergänzt: „Wie cool wäre das, wenn wir irgendwann ein Smartphone in der Hand hielten, das auf unserem Material beruht?“

* B. Vierjahn, Universität Duisburg-Essen, 47057 Duisburg

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