Preiswerte Katalysatoren finden und verstehen: Auf das Eisen kommt es an

Ein Team hat mehr als hundert Eisen-Nickel-Katalysatoren mit unterschiedlichen Beimischungen von Chrom untersucht. Dabei analysierten sie an BESSY II auch die elektronischen Strukturen der einzelnen Elemente. Sie zeigten, dass ein steigender Chromanteil vor allem die elektronische Struktur des Eisens beeinflusst, die wichtig für die Wirkung als Katalysator ist. Die Ergebnisse dieser Hochdurchsatzstudie helfen bei der wissensbasierten und gezielten Suche nach besseren Katalysatoren.

Katalysatoren können chemische Reaktionen beschleunigen, bleiben selbst dabei jedoch unverändert.  Sie werden für viele Reaktionen benötigt, auch wenn man mit Sonnenlicht Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spalten will, um die Sonnenenergie chemisch abzuspeichern. Doch die besten Katalysatoren für diese Reaktion bestehen immer noch aus Platin oder anderen seltenen Elementen. Damit sind sie zu teuer für einen breiten Einsatz. Überall suchen daher Forschungsteams nach Alternativen.

Doch wie findet man eigentlich neue gute Katalysatoren? Und warum sind manche Materialien ein besserer Katalysator als andere, obwohl sie sich vielleicht in ihrer Zusammensetzung nur geringfügig unterscheiden? Zusammen mit ihren Partnern von der Universität Bochum hat sich das Team um Prof. Dr. Kathrin Aziz-Lange, Nachwuchsgruppe Operando Characterization of Solar Fuel Materials, dieser Fragestellung gewidmet.

Reaktionsgeschwindigkeiten gemessen

Sie wählten dafür ein Materialsystem aus Eisen, Nickel und Sauerstoff, das derzeit als besonders vielversprechender Kandidat für Katalysatoren gilt. Dann mischten sie als drittes Metall Chrom hinzu, welches die Effizienz noch erhöhen kann. Sie stellten jedoch nicht nur ein Material her, sondern eine ganze „Materialbibliothek“, in welcher die Zusammensetzung der drei Metalle fließend variierte, insgesamt über hundert Proben. Damit konnten sie dann empirisch herausfinden, wie das Einbringen von Chrom in den  Katalysator die Reaktionsgeschwindigkeit verändert und welche Materialstrukturen höhere Geschwindigkeiten ermöglichen.

Elektronische Strukturen an BESSY II untersucht

Bei allen Proben bestimmten sie die Leistungsfähigkeit der Katalysatoren (siehe Abbildung). Parallel dazu untersuchten sie mit spektroskopischen Methoden an der Berliner Synchrotronquelle BESSY II  die elektronischen Strukturen der einzelnen Elemente, die mit der katalytischen Aktivität im Zusammenhang stehen.  „Insgesamt haben wir mehr als 500 Spektren von der Materialbibliothek aufgenommen“, erklärt Christoph Schwanke, der diese Messungen im Rahmen seiner Doktorarbeit durchgeführt hat.

Chrom beeinflusst elektronische Struktur um Eisen

Die Ergebnisse dieser Hochdurchsatzstudie zeigen, dass sich die elektronischen Strukturen um Nickel und Chrom  bei steigendem Chromgehalt kaum verändern. Allerdings verändert der steigende Chromanteil die Energielevel der Elektronen des Eisens.  „Wir konnten beobachten, dass die Leistungsfähigkeit des Katalysators mit einer bestimmten elektronischen Struktur des Eisens einhergeht “, erklärt Kathrin Aziz-Lange. „Dies ist eine wichtige Information, nicht nur zum tieferen Verständnis von katalytischen Materialien, sondern auch für die gezielte Synthese von guten Katalysatoren.“

Systematische Optimierung möglich

Die Studie gibt Hinweise für die systematische und wissensbasierte Entwicklung von neuen Katalysatoren. Die kombinatorische Materialforschung erlaubt hierbei, sehr viele Materialien in kurzer Zeit zu untersuchen und dabei die Kandidaten zu identifizieren, die besonders vielversprechend sind.

Zur Publikation: Correlating Oxygen Evolution Catalysts Activity and Electronic Structure by a High-Throughput Investigation of Ni_1-y-zFe_yCr_zO_x 

Christoph Schwanke, Helge Sören Stein, Lifei Xi, Kirill Sliozberg, Wolfgang Schuhmann, Alfred Ludwig and Kathrin M. Lange

Scientific Reports 7, (2017) doi: 10.1038/srep44192