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Katalysator-Herstellung in einem Schritt

Verfahren zum Patent angemeldet

17.07.2019

Universität Duisburg-Essen

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der nur wenige Nanometer dünnen Wände aus Kohlenstoff.

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 den Zweck: Je mehr Oberfläche zur Verfügung steht, desto mehr Reaktionen können gleichzeitig stattfinden.

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 dünne 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.

Im Projekt „MoRE InnoMat“ arbeiten die Physiker mit Chemikern der UDE und mit Industriepartnern zusammen, die den Prozess auf ihre Maßstäbe skalieren. Gemeinsam mit dem Zentrum für BrennstoffzellenTechnik entsteht derzeit ein Demonstrator von wenigen cm2 Fläche für die Entwicklung einer Mikro-Brennstoffzelle.

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

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