{"id":33537,"date":"2013-06-17T10:43:33","date_gmt":"2013-06-17T10:43:33","guid":{"rendered":"http:\/\/www.fachzeitungen.de\/fachbeitraege\/?p=33537"},"modified":"2013-06-18T14:49:36","modified_gmt":"2013-06-18T13:49:36","slug":"durchbruch-in-der-nutzbarmachung-von-sonnen-oder-windelektrizitaet","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.fachzeitungen.de\/fachbeitraege\/durchbruch-in-der-nutzbarmachung-von-sonnen-oder-windelektrizitaet-1033537\/","title":{"rendered":"Durchbruch in der Nutzbarmachung von Sonnen- oder Windelektrizit\u00e4t"},"content":{"rendered":"

\"ElektronenmikroskopischeTU Berlin: „Journal Nature Materials“: Geformter Superkatalysator f\u00fcr effiziente Brennstoffzellen<\/p>

90 Prozent des teuren Platins eingespart \/ Ver\u00f6ffentlichung im renommierten „Journal Nature Materials“<\/p>

Chemische Energiespeicher und -wandler gelten als die Schl\u00fcsseltechnologie zur Nutzbarmachung von erneuerbarer, aber unregelm\u00e4\u00dfig anfallender Sonnen- oder Windelektrizit\u00e4t. Als Speichermedium mit einem gro\u00dfen wirtschaftlichen Nutzen kommt dabei dem Molek\u00fcl Wasserstoff die gr\u00f6\u00dfte Bedeutung zu. Es wird erzeugt durch Wasserspaltung mit Hilfe von elektrischem Strom, der Elektrolyse. Sowohl der Prozess der Wasserspaltung in Wasserstoff (und Sauerstoff) als auch der umgekehrte Prozess der Erzeugung von Elektrizit\u00e4t aus beiden Gasen in Brennstoffzellen sind sehr langsame chemische Reaktionen. Sie ben\u00f6tigen daher eine gro\u00dfe Menge an Edelmetallkatalysatoren, um die Reaktionen sehr stark zu beschleunigen. Das teure Platin wird daf\u00fcr eingesetzt. Es macht die elektrochemische Energiespeicherung und -wandlung sehr kostspielig. Der Einsatz von leistungsf\u00e4higen, robusten und g\u00fcnstigen Katalysatorenmaterialien ist daher ein Schl\u00fcssel zum Durchbruch der Brennstoffzellentechnologie.<\/p>

Forschern der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Peter Strasser an der TU Berlin zusammen mit Wissenschaftlern des Ernst Ruska-Centrums f\u00fcr Elektronenmikroskopie in J\u00fclich ist nun ein Durchbruch gelungen.<\/p>

Sie konnten Metallkatalysatoren in Form von kleinsten Partikeln f\u00fcr die Wandlung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser entwickeln, die so aktiv sind, dass die ben\u00f6tigte Menge an Edelmetall auf nur 10 Prozent des heute typischen Wertes abgesenkt werden konnte. Damit kann 90 Prozent des Platins eingespart werden.<\/p>

Dass die Katalysatoren nanoskalig sein m\u00fcssen, um Edelmetall zu sparen, genauer gesagt nur etwa ein zehntausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares messen d\u00fcrfen, war dabei schon bekannt. Aber es kamen in der Vergangenheit immer runde Katalysatorpartikel zum Einsatz. Neu und faszinierend an der vorliegenden Studie, die jetzt im renommierten Journal Nature Materials ver\u00f6ffentlicht wurde, ist, dass auch die detaillierte geometrische Form der Partikel eine extrem gro\u00dfe Rolle bei der Steuerung der Aktivit\u00e4t und der Lebensdauer der Metallkatalysatorpartikel spielt.<\/p>

Dem Forscherteam gelange es, nanoskalige Legierungspartikel aus Platin und Nickel herzustellen, die ann\u00e4hernd die geometrische Form eines mathematisch perfekten Oktaeder besitzen. Dieses Objekt zeigt an seiner Oberfl\u00e4che ausschlie\u00dflich genau die geometrische Anordnung von Platin- und Nickel-Atomen, die die chemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser in einer energieumwandelnden Brennstoffzelle am effizientesten beschleunigt, also katalysiert. Ein rundes oder auch w\u00fcrfelf\u00f6rmiges Partikel w\u00fcrde andere atomare Anordnungen zeigen und daher die chemische Reaktion weniger effizient katalysieren und einen Mehreinsatz an Edelmetall nach sich ziehen. Mit Hilfe modernster Elektronenmikroskopie konnte das Forscherteam auch untersuchen, wie die Lebensdauer dieser Superkatalysatoren von ihrer Komposition abh\u00e4ngt und diese f\u00fcr die Brennstoffzelle optimieren. Entscheidend beim Verst\u00e4ndnis der Lebensdauer war die Beobachtung, dass die Nickel- und Platinatome sich nicht gleichverteilt an der Oberfl\u00e4che der Nanooktaeder platzieren. Nickel bevorzugt die Oberfl\u00e4chenpl\u00e4tze in der Mitte der Oktaederfl\u00e4chen, w\u00e4hrend das Platin die Kanten und Ecken bevorzugt. Diese ungew\u00f6hnliche, erstmalig beobachtete Verteilung der Atome ist zwar f\u00fcr die Reaktivit\u00e4t g\u00fcnstig, limitert aber die Lebensdauer der Energiematerialien, so das Forschungsteam.<\/p>

Um mit atomarer Genauigkeit die Anordnung zu erkennen, nutzte es am Ernst Ruska-Centrum eine Methode, bei der ein besonders energiearmer Elektronenstrahl eines der weltweit h\u00f6chstaufl\u00f6senden Elektronenmikroskope fein geb\u00fcndelt durch die Probe geschickt wird. Durch die Wechselwirkungen mit der Probe verliert es einen Teil seiner Energie. Jedes Element in der Probe kann damit wie mit einem Fingerabdruck identifiziert werden und sein Aufenthaltsort bestimmt werden. Herk\u00f6mmliche Elektro-nenmikroskope k\u00f6nnen dies nicht mit dieser atomarer Aufl\u00f6sung erkennen.<\/p>

Insgesamt liefert diese bahnbrechende experimentelle Arbeit den direkten Beweis, dass eine richtige Wahl der Geometrie des nanometerkleinen Katalysatorpartikels f\u00fcr die Optimierung seiner Funktion ebenso wichtig ist wie die Wahl seiner Zusammensetzung und seiner Gr\u00f6\u00dfe. Dies er\u00f6ffnet den Forschern nun noch mehr M\u00f6glichkeiten, Funktionsmaterialien, insbesondere Katalysatoren f\u00fcr die Energiespeicherung immer weiter zu verbessern. Aktuellste Katalysearbeiten aus der Arbeitsgruppe um TU-Forscher Strasser, die eng mit Gruppen des Exzellenzclusters UNICAT zusammenarbeitet, deuten darauf hin, dass gro\u00dfe Kosten- und Energieeffizienzspr\u00fcnge auch f\u00fcr die Spaltungsreaktion von Wasser in Sauerstoff in Elektrolyseuren m\u00f6glich sind, wo das noch weitaus teurere Edelmetall Iridium zum Einsatz kommt.<\/p>

Originalver\u00f6ffentlichung:
C. Cui, L. Gan, M. Heggen, S. Rudi, P. Strasser
Compositional segregation in shaped Pt alloy nanoparticles and their structural behavior during electrocatalysis Nature Materials, published: http:\/\/www.nature.com\/nmat\/journal\/vaop\/ncurrent\/full\/nmat3668.html<\/p>

Bildmaterial finden Sie unter: www.tu-berlin.de\/?id=135298
Bildunterschrift: Elektronenmikroskopische Aufnahme und atomistisches Modell (unten rechts) eines hochaktiven sauerstoffaktivierenden Platin-Nickel-Katalysatorteilchens. Sein Durchmesser ist ungef\u00e4hr zehntausendmal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Rote Kugeln symbolisieren Platinatome, gr\u00fcne Nickelatome. Eine Eigenschaft solcher Oktaeder ist, dass die meisten Oberfl\u00e4chenatome dieselbe geometrische Anordnung besitzen. Die Aufnahme ist am Elektronenmikroskop PICO am Ernst Ruska-Centrum entstanden. Bildquelle: Forschungszentrum J\u00fc-lich\/TU Berlin<\/p>

Weitere Informationen erteilen Ihnen gern:
Prof. Dr. Peter Strasser, Technische Universit\u00e4t Berlin, Institut f\u00fcr Chemie, Tel.: 030 314-29542, E-Mail: pstrasser@tu-berlin.de
Dr. Marc Heggen, Forschungszentrum J\u00fclich, Mikrostrukturforschung (PGI-5), Tel.: 02461 61-9479, E-Mail: m.heggen@fz-juelich.de<\/p>

Die TU Berlin versteht sich als international renommierte Universit\u00e4t in der deutschen Hauptstadt, im Zentrum Europas. Eine scharfe Profilbildung, herausragende Leistungen in Forschung und Lehre, die Qualifikation von sehr guten Absolventinnen und Absolventen und eine moderne Verwaltung stehen im Mittelpunkt ihres Agierens. Ihr Streben nach Wissensvermehrung und technologischem Fortschritt orientiert sich an den Prinzipien von Exzellenz und Qualit\u00e4t.<\/p>

Kontakt
TU Berlin, Stabsstelle Presse, \u00d6ffentlichkeitsarbeit und Alumni
Stefanie Terp
Stra\u00dfe des 17. Juni 135
10623 Berlin
030\/314-23922
pressestelle@tu-berlin.de
http:\/\/www.tu-berlin.de<\/a><\/p>

Pressekontakt:
TU Berlin, Institut f\u00fcr Chemie
Prof. Dr. Peter Strasser
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10623 Berlin
030\/314-29542
pstrasser@tu-berlin.de
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