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Visualising Electrocatalysis at the Nanoscale

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Katalytische Aktivität einzelner Nanopartikel auf dem Prüfstand

Bei vielen neuen Energietechnologien wie auch bei Brennstoffzellen spielt die Elektrokatalyse eine entscheidende Rolle. Eine neue EU-finanzierte Studie hat die Mechanismen der elektrokatalytischen Aktivität auf der Ebene einzelner Nanopartikel (NP) durchleuchtet und verspricht neue Wege zur Optimierung.

Energie

Es besteht weltweit großes Interesse an Systemen aus Edelmetallnanopartikeln auf nanostrukturierten Kohlenstoffelektrodenträgern. Die Träger sind oft Graphen, einwandige Kohlenstoffnanoröhren, Graphit oder leitfähiger Diamant. Eine effektive Nutzung derartiger elektrokatalytischer Systeme erfordert ein ausnehmend detailliertes Verständnis von Prozessen auf der Ebene einzelner Nanopartikel. Die Zusammenarbeit zwischen in den Bereichen Elektrokatalyse und hochauflösender Elektrochemie sowie Bildgebung erfahrenen Labors im Rahmen des EU-finanzierten Projekts "Visualising electrocatalysis at the nanoscale" (VISELCAT) war äußerst fruchtbar. Der Erfolg wurde von der durch die Wissenschaftler vorangetriebenen Entwicklung der bahnbrechenden elektrochemischen Rasterzellmikroskopie (scanning electrochemical cell microscopy, SECCM) beflügelt, mit der einzelne Stellen auf Elektrodenoberflächen untersucht werden können. Mit der extrem hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung konnten die Wissenschaftler zunächst viele offene Fragen in Bezug auf die Elektronentransfereigenschaften der Elektrodenträgermaterialien beantworten. Insbesondere die bahnbrechenden Arbeiten zu HOPG-Graphit (Highly Oriented Pyrolytic Graphite) zeigten die Notwendigkeit auf, die aktuellen Lehrbücher zu überarbeiten. Die Forscher setzten außerdem die SECCM ein, um die Bildung von Nanopartikeln zu untersuchen, wobei man die bisher unterschätzte Rolle der Wechselwirkung zwischen den Nanopartikeln und den Substratmaterialien offenlegte. Diese Erkenntnisse leiten neue Untersuchungen an Elektrobeschichtungsprozessen ein. Zum Abschluss untersuchten die Wissenschaftler elektrokatalytische Materialien mittels SECCM. Dabei ergab sich, dass die Kornstruktur und die Oberflächenorientierung der einzelnen Körner für die lokalisierte Reaktivität von Bedeutung sind. Untersuchungen zur Reaktivität einzelner Nanopartikel innerhalb eines Ensembles von Platinnanopartikeln auf einer einzelnen Kohlenstoffnanoröhre zeigten, dass leichte Variationen der Nanopartikelmorphologie die Reaktivität drastisch verändern. Der innovative Aufbau in Form einer sehr kleinen Pipette kombiniert mit SECCM ermöglichte die Untersuchung der Landung einzelner Nanopartikel auf den Substratelektrodenmaterialien. Aufgrund des schwachen Grundstroms konnten die Wissenschaftler minimale Stromsignale von den Nanopartikeln mit guter Zeitauflösung erfassen. Somit war das Team in der Lage, erstmals auf der Ebene einzelner Nanopartikel kombinierte elektrochemische und physikalische Eigenschaften zu charakterisieren. Die Erkenntnisse wurden bereits in acht von Experten begutachteten Artikeln in führenden wissenschaftlichen Fachzeitschriften veröffentlicht; weitere befinden sich in Vorbereitung. Die VISELCAT-Ergebnisse und Verfahren ebnen nun den Weg zu einer Optimierung der Elektrokatalyse durch Manipulation von Größe und katalytischer Aktivität von Nanokatalysatoren auf der Ebene einzelner Nanopartikel. Eine breit angelegte Umsetzung verspricht schnelle Fortschritte und lang ersehnte Durchbrüche in Bereich der Elektrokatalyse, etwa für alternative Energiesysteme, Sensoren, bei der Wasserreinigung und chemischen Synthese.

Schlüsselbegriffe

Nanopartikel, katalytische Aktivität, Elektrokatalyse, Energietechnologien, Elektrokatalytische Aktivität, Einzelnanopartikel, Kohlenstoffelektrode, Elektrochemie, Nanomaßstab, elektrochemische Zellmikroskopie, pyrolytische Graphite, Elektronentranfser

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