Technologie

Pfiffige Suche nach Katalysatoren

18.01.2023 - Alle möglichen Kombinationen aus fünf Elementen gebündelt auf einem Träger.

Bei der Suche nach Katalysatoren für die Energiewende sind Materialien aus mindestens fünf Elementen besonders vielver­sprechend. Nur gibt es davon theoretisch millionen Variationen – wie findet man da die leistungs­stärkste? Einem Bochumer Forschungsteam unter Leitung von Alfred Ludwig ist es gelungen, in einem einzigen Schritt alle möglichen Kombinationen aus fünf Elementen auf einem Träger unter­zubringen. Zusätzlich entwickelten die Forschenden eine Methode, um das elektro­katalytische Potenzial jeder einzelnen der Kombinationen in dieser Mikromaterial­bibliothek im Hochdurchsatz zu analysieren. So wollen sie die Suche nach potenziellen Kata­lysatoren um ein Vielfaches beschleunigen. 

Bei der Herstellung von Material­bibliotheken von Hochentropie­legierungen setzen die Bochumer Forschenden auf ein Sputter­verfahren. Dabei werden alle Ausgangstoffe zeitgleich aus verschiedenen Richtungen auf einen Träger aufgebracht. Auf jeder Stelle des Trägers schlagen sich die Ausgangs­stoffe in verschiedenen Mischungs­verhältnissen nieder. „Dieses Verfahren haben wir in der aktuellen Arbeit durch den Einsatz von Lochblenden so verfeinert, dass jede Material­mischung nur noch in einem winzigen Punkt von etwa einhundert Mikrometer Durchmesser auf dem Träger entsteht“, beschreibt Alfred Ludwig. „Durch die Miniaturi­sierung der Material­bibliotheken sind wir jetzt in der Lage, ein komplettes Fünf-Komponenten­system auf einem einzigen Träger unter­zubringen – ein enormer Fortschritt“, ergänzt Lars Banko, der seit kurzem das EXIST-geförderte Startup Projekt xemX leitet.

Für die Untersuchung der so entstandenen Materialien nutzen die Forschenden die „Scanning Electro­chemical Cell Microscopy“, kurz SECCM. Dabei werden über einen hängenden Nanotropfen eines Elektrolyts mit einem Tausendstel des Durchmessers eines Haares die elektro­chemischen Eigenschaften des Materials in einem bestimmten Punkt gemessen. „Das erlaubt es uns, im Hochdurchsatz die Kandidaten mit der höchsten kata­lytischen Aktivität ausfindig zu machen, bei denen eine genauere Untersuchung lohnenswert erscheint“, sagt Wolfgang Schuhmann von der Ruhr-Universität. Mittels dieser Methoden wollen die Forschenden die Überfülle möglicher Materialien für neue Katalysatoren effizient durchsuchen, um katalytisch besonders aktive Kandidaten ausfindig zu machen. Katalysatoren werden zum Beispiel für Energie­wandlungs­prozesse benötigt, die es unter anderem ermöglichen könnten, Grünen Wasserstoff im großen Maßstab als umwelt­freundlichen Energieträger zu nutzen.

RUB / JOL

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