Atomare Umstrukturierung ebnet den Weg für rekordverdächtige Katalysatoren zur Wasserstofferzeugung

In der Studie schuf das Team Partikel im Nanomaßstab, die nur ein paar Dutzend Platin- und Nickelatome enthielten, und beobachtete ein ungewöhnliches dynamisches Verhalten im direkten Raum und in Echtzeit. Wenn sich die beiden Metalle unter Beibehaltung einer Grenzfläche voneinander trennen, werden sie für die elektrochemische Wasserspaltung hochaktiv, was zu einer effizienten Wasserstoffentwicklung führt.

Das Projekt wird von der University of Nottingham in Zusammenarbeit mit der University of Birmingham, der Diamond Light Source und der Universität Ulm in Deutschland geleitet. Die Studie wurde heute in der Zeitschrift Advanced Materials veröffentlicht.

Dr. Jesum Alves Fernandes von der School of Chemistry der Universität Nottingham, der das Forschungsteam leitete, sagte: "Das Spannende an dieser Entdeckung ist, dass wir die Struktur des Teilchens reversibel einstellen können, während wir den Prozess auf atomarer Ebene direkt beobachten. Dies eröffnet eine neue Strategie für die Entwicklung anpassungsfähiger Katalysatoren für eine breite Palette von Anwendungen".

Wenn man Milch zu Kaffee gibt, vermischen sich die beiden Substanzen mühelos und können sich nicht spontan trennen. Dieser Prozess wird durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik diktiert, der das Verhalten von Molekülen und Atomen regelt und zu einem Anstieg der Entropie, einem Maß für die Unordnung, führt.

Dr. Emerson Kohlrausch, der die experimentellen Arbeiten an der School of Chemistry der Universität Nottingham leitete, sagte: "Als wir die Platin-Nickel-Nanopartikel unter dem Elektronenmikroskop betrachteten, sahen wir zunächst, dass die beiden Atomarten gemischt waren, wie man es bei einer Legierung erwarten würde. Doch nur wenige Sekunden später begannen sich die beiden Metalle vor unseren Augen voneinander zu trennen. Das war eine erstaunliche Beobachtung, denn sie schien den konventionellen thermodynamischen Verhaltensweisen zu widersprechen."

Um ein Material durch Elektronenmikroskopie abzubilden, müssen die Atome mit einem Strahl schneller Elektronen wechselwirken, die einen Teil ihrer Energie auf die Atome in der Probe übertragen können. Dies regt die Atome dazu an, sich in dem Teilchen umzuschichten und neue Positionen einzunehmen, was im Falle des intermetallischen Platin-Nickel-Gemisches zur Trennung der Metalle führt.

Sobald Nickel von Platin getrennt ist, nimmt es Sauerstoffatome aus der Umgebung auf und bildet ein Oxid. "Das Ergebnis sind Nanopartikel, die aus zwei Hälften bestehen - Platinmetall und Nickeloxid, getrennt durch eine atomar definierte Grenzfläche. Wir schaffen neue Arten von Hybridpartikeln und beobachten ihre Bildung in Echtzeit, was beispiellos ist", sagt Professor Andrei Khlobystov, Professor für Nanomaterialien an der Universität Nottingham, der sich für den Einsatz der Elektronenmikroskopie zur Darstellung chemischer Reaktionen einsetzt.

Das Team hat in der Vergangenheit den Elektronenstrahl sowohl als bildgebendes Instrument als auch als Energiequelle für chemische Reaktionen eingesetzt und damit die erste Echtzeitbeobachtung des Aufbrechens und der Bildung chemischer Bindungen sowie der Kristallkeimbildung demonstriert. Professorin Ute Kaiser, die das SALVE-Projekt leitete, bei dem ein einzigartiges Mikroskop für diese Experimente an der Universität Ulm entwickelt wurde, sagte: "Es ist wichtig, Bedingungen zu schaffen, unter denen wir die Positionen jedes einzelnen Atoms verfolgen können. Um dies zu erreichen, haben wir das dünnstmögliche Material als Träger für die Nanopartikel verwendet - die Graphenschicht - und die Energie und den Fluss des Elektronenstrahls sorgfältig kontrolliert."

Bemerkenswerterweise können die Metalle wieder miteinander vermischt werden, wenn die Bedingungen geändert werden, so dass eine Legierung entsteht, und derselbe Prozess kann mehrmals wiederholt werden. Dr. Emerson Kohlrausch sagte: "Die Teilchen verhalten sich nicht wie starre, feste Objekte, sondern wie lebende Wesen, die auf ihre Umgebung reagieren. Das hat uns inspiriert, ihre Dynamik für die Katalyse nutzbar zu machen".

Die Forscher untersuchten Platin-Nickel-Partikel für die Wasserstoffproduktion durch elektrochemische Wasserspaltung. Sie zeigten, dass der im Elektronenmikroskop entdeckte Prozess der Metallabscheidung auch unter den Reaktionsbedingungen stattfindet. Dr. Jesum Alves Fernandes sagte: "Was diese Partikel so effektiv macht, ist die Zusammenarbeit zwischen den beiden Materialien nach der Trennung. Platin und Nickeloxid erfüllen jeweils unterschiedliche Aufgaben bei der Wasserspaltung, und die gemeinsame atomare Grenze ermöglicht die ultimative Zusammenarbeit zwischen ihnen".

Der kooperative Effekt steigert die Wasserstoffproduktion aus Wasser und macht dieses Material zu einem der effektivsten Katalysatoren für die Wasserspaltung. Über die Wasserstoffproduktion hinaus könnten die Erkenntnisse das künftige Design von Katalysatoren für die Energieumwandlung, die chemische Produktion und nachhaltige industrielle Prozesse beeinflussen.