q&more
Meine Merkliste
my.chemie.de  
Login  

News

Lebenszyklus winziger Katalysatorpartikel beobachtet

Neuer Ansatz stellt Partikel am Stiel her

© RUB, Marquard

Für das bloße Auge unsichtbar: An der Spitze dieser Kohlenstoffelektrode befindet sich dann das winzige Katalysatorpartikel.

06.05.2019: Weil sie so winzig sind, sind einzelne Nanopartikel schwer zu untersuchen. Aber genau das wollen Forscher, um später ihre Eigenschaften maßschneidern zu können. Ein neuer Ansatz: Partikel am Stiel.

Nanopartikel sind vielfältig als Katalysatoren einsetzbar. Um sie so maßschneidern zu können, dass sie bestimmte Reaktionen effizient und selektiv katalysieren, müssen die Eigenschaften einzelner Partikel möglichst genau bestimmt werden. Bislang wird häufig ein Ensemble aus vielen Nanopartikeln analysiert, wobei es jedoch zu Überlagerungseffekten kommt, sodass die individuellen Eigenschaften verborgen bleiben. Forscher der Ruhr-Universität Bochum haben gemeinsam mit Kollegen der Universität Duisburg-Essen und der Technischen Universität München eine neue Methode entwickelt, um einzelne Nanopartikel vor, während und nach einer elektrochemischen Reaktion zu beobachten.

Gesamten Lebenszyklus beobachten

„Um die katalytische Aktivität eines Nanopartikels umfassend zu verstehen, müssen wir beobachten, wie sich seine Struktur und Zusammensetzung verändern – von der Katalysatorvorstufe über den aktiven Katalysator bis hin zum Zustand nach der Reaktion“, erklärt Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann, Leiter des Bochumer Zentrums für Elektrochemie. „Dafür haben wir Partikel am Stiel erschaffen.“

Die Forscher ließen ein Katalysatorpartikel an der Spitze einer Kohlenstoffnanoelektrode wachsen, an der sie es anschließend aktivierten und eine chemische Reaktion katalysieren ließen. Anders als mit vorherigen Verfahren konnte das Team so den gesamten Lebenszyklus des Partikels beobachten.

Partikel am Stiel herstellen

Im ersten Schritt behandelten die Chemiker die Kohlenstoffelektrode so, dass sich das Partikel bevorzugt an der Elektrodenspitze anheftete. Dann tauchten sie die Elektrodenspitze in eine Lösung, die das Rohmaterial für den Katalysator enthielt. Daraus setzte sich selbstständig ein symmetrisches Partikel zusammen, in dem die enthaltenen Elemente – das Metall Cobalt und organische, also kohlenstoffhaltige Bestandteile – gleichmäßig verteilt waren. Seine Form analysierte die Gruppe mit der Transmissions-Elektronenmikroskopie. Mit einer speziellen Form der Röntgenspektroskopie bestimmten die Forscher, wie die enthaltenen Elemente verteilt waren. Diese Analysen wiederholten sie nach jedem Schritt, um zu dokumentieren, wie sich das Partikel veränderte.

Stabiler Verbund aus Elektrode und Partikel

Im nächsten Schritt sorgten die Forscher durch Erhitzen dafür, dass sich die organischen Verbindungen zersetzen und eine Kohlenstoffmatrix bilden, in der sehr kleine Cobalt-Nanopartikel eingebettet sind. Dadurch bildete sich das eigentliche katalytisch aktive Material an der Spitze der Nanoelektrode.

Anschließend setzten die Chemiker das Partikel als Katalysator für die Produktion von Sauerstoff aus Wasser mittels Elektrolyse ein. Es arbeitete äußerst effizient und erzielte Umsatzraten, die mit denen in industriellen Elektrolyse-Vorrichtungen vergleichbar sind.

„Viel wichtiger war für uns jedoch zu sehen, dass der Verbund aus Elektrode und Partikel so stabil war, dass wir ihn sogar noch nach der Katalyse weiter vermessen konnten“, sagt Wolfgang Schuhmann. Die Analysen ergaben, dass sich das Partikel während der Reaktion stark umstrukturiert hatte. Somit erlaubt die Methode, die Veränderungen an einem bei hohen Umsatzraten betriebenen Katalysator sichtbar zu machen.

Mit ihrem Verfahren konnten die Forscher also nicht nur die katalytische Aktivität eines individuellen Nanopartikels bestimmen, sondern auch seine Form und chemische Zusammensetzung über den gesamten Lebenszyklus hinweg – und zwar ohne störende Einflüsse von anderen Partikeln.

Originalveröffentlichung:
Harshitha Barike Aiyappa, Patrick Wilde, Thomas Quast, Justus Masa, Corina Andronescu, Yen-Ting Chen, Martin Muhler, Roland A. Fischer, Wolfgang Schuhmann; "Oxygen evolution electrocatalysis of a single MOF‐derived composite nanoparticle on the tip of a nanoelectrode"; Angewandte Chemie International Edition; 2019

Fakten, Hintergründe, Dossiers

Mehr über Ruhr-Universität Bochum

  • News

    Hohe Reaktionsraten auch ohne Edelmetalle

    Edelmetalle sind oft effiziente Katalysatoren. Aber sie sind teuer und selten. Wie effizient edelmetallfreie Alternativen sind, ist bislang jedoch schwer zu bestimmen. Edelmetallfreie Nanopartikel könnten eines Tages teure Katalysatoren für die Wasserstoffproduktion ersetzen. Welche Reaktio ... mehr

    Medikamentenresistenz: Transportproteine vom Transport abhalten

    Bestimmte Membranproteine sind darauf spezialisiert, Moleküle aus Zellen zu transportieren – ein Problem für die Wirksamkeit von Krebsmedikamenten und Antibiotika. Mit einem künstlich hergestellten Antikörperfragment hat ein internationales Forschungsteam den Transportmechanismus eines Memb ... mehr

    Alzheimer im Mini-Gehirn

    Die Ursachen der Erkrankung liegen größtenteils im Dunkeln. An Gehirn-Organoiden aus Stammzellen wollen Forscher sie entlarven. Die meisten Fälle von Demenz gehen auf die Alzheimer-Krankheit zurück. Über ihre Ursachen weiß man wenig. Fest steht, dass sich im Gehirn von Alzheimer-Patienten P ... mehr

  • q&more Artikel

    Mit Licht und Strom dem Schicksal einzelner Nanopartikel auf der Spur

    Die Kombination aus Dunkelfeldmikroskopie und Elektrochemie macht einzelne Nanopartikel in flüssigem Medium sichtbar. Hiermit kann die Aktivität von Katalysatoren während ihrer Anwendung ermittelt werden. mehr

    Vibrationsspektroskopie - Labelfreies Imaging

    Spektroskopische Methoden erlauben heute mit bisher unerreichter räumlicher und zeitlicher Auflösung tiefe Einblicke in die Funktionsweise biologischer Systeme. Neben der bereits sehr gut etablierten Fluoreszenzspektroskopie wird in den letzten Jahren das große Potenzial der labelfreien Vib ... mehr

  • Autoren

    Kevin Wonner

    Kevin Wonner, Jahrgang 1995, studierte Chemie mit dem Schwerpunkt der elektrochemischen Untersuchung von Nanopartikeln an der Ruhr-Universität Bochum und ist seit 2018 Doktorand am Lehrstuhl für Analytische Chemie II von Prof. Dr. Kristina Tschulik im Rahmen des Graduiertenkollegs 2376. Er ... mehr

    Mathies V. Evers

    Mathies Evers, Jahrgang 1989, studierte Chemie an der Ruhr-Universität Bochum, wo er an der Synthese atompräziser molekularer Cluster forschte. Nach seinem Masterabschluss begann er seine Doktorarbeit am Lehrstuhl für Analytische Chemie II von Prof. Dr. Kristina Tschulik und wird durch den ... mehr

    Prof. Dr. Kristina Tschulik

    Kristina Tschulik promovierte im Jahr 2012 an der TU Dresden und arbeitete als Postdoktorandin am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden sowie an der Universität Oxford. Danach baute sie gefördert durch ein NRW-Rückkehrprogramm die Arbeitsgruppe für „Elektrochemie u ... mehr

q&more – die Networking-Plattform für exzellente Qualität in Labor und Prozess

q&more verfolgt den Anspruch, aktuelle Forschung und innovative Lösungen sichtbar zu machen und den Wissensaustausch zu unterstützen. Im Fokus des breiten Themenspektrums stehen höchste Qualitätsansprüche in einem hochinnovativen Branchenumfeld. Als moderne Wissensplattform bietet q&more den Akteuren im Markt einzigartige Networking-Möglichkeiten. International renommierte Autoren repräsentieren den aktuellen Wissenstand. Die Originalbeiträge werden attraktiv in einem anspruchsvollen Umfeld präsentiert und deutsch und englisch publiziert. Die Inhalte zeigen neue Konzepte und unkonventionelle Lösungsansätze auf.

> mehr zu q&more

q&more wird unterstützt von:

 

Ihr Bowser ist nicht aktuell. Microsoft Internet Explorer 6.0 unterstützt einige Funktionen auf Chemie.DE nicht.