Neue Eigenschaften des roten Metalls

Aktiv = dyna­misch: Das Geheim­nis von Kupfer-Elektro­kata­lysa­toren

Brennstoffzellen stehen im Fokus der modernen Energieforschung und sind essenziell für eine nachhaltige Energieversorgung. Ob ihr Herz – der Katalysator – effizient arbeitet, hängt stark von seinem Material ab. Kürzlich gelang der Gruppe um die Physikalische Chemikerin Julia Kunze-Liebhäuser an der Universität Innsbruck einer Medienmitteilung vom zufolge der Nachweis, dass Kupfer als Katalysator viel besser geeignet ist, als man bisher dachte.

Effiziente Katalysatoren wandeln in einer Brennstoffzelle chemische in elektrische Energie um. Sie können auch in Elektrolyseuren zur Spaltung von Wasser oder zur Erzeugung synthetischer Kraftstoffe fungieren. Eine Herausforderung bei der Entwicklung von Katalysatoren ist häufig die Suche nach dem passendem Material. „Bisher bestehen gut funktionierende Katalysatoren oft aus seltenen Elementen wie Platin oder Iridium, was sie sehr kostenintensiv macht“, erklärt Julia Kunze-Liebhäuser, Professorin für Physikalische Chemie an der Universität Innsbruck. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sind daher auf der Suche nach verfügbaren Alternativen. Hierbei hilft ihnen das jahrhundertealte Sabatierprinzip. „Dieses Prinzip besagt, dass ein gutes Katalysatormaterial die an der Reaktion beteiligten Moleküle nicht zu stark und nicht zu schwach binden sollte. Die Bindung sollte stark genug sein, um die Reaktion zu aktivieren, allerdings auch schwach genug, um die Moleküle nicht für immer an sich zu binden und so die Reaktion zum Erliegen zu bringen“, erläutert die Chemikerin. „Viele Materialien erfüllen leider nicht dieses Prinzip, da Moleküle entweder alle stärker oder alle schwächer gebunden werden, während man oft Substanzen bräuchte, die gezielt bestimmte Moleküle stärker, andere aber schwächer an ihre Oberfläche anlagern.“

Dynamische Clusterbildung

In ihrer in Nature Catalysis erschienenen Arbeit konnte das Team um Kunze-Liebhäuser in Kooperation mit Prof. Karsten Reuter vom Fritz-Haber-Institut Berlin zeigen, dass Kupfer eine ganz eigene Lösung zu diesem Problem gefunden hat. Bei der Elektrooxidationsreaktion von Kohlenmonoxid, dem wichtigsten Zwischenprodukt bei der Oxidation von Brennstoffen in Brennstoffzellen, beobachteten sie, dass sich die Oberfläche eines Kupfer-Katalysators während der Reaktion verändert. „In der Literatur ist Kupfer als für diese Reaktion inaktiv beschrieben, und auch unsere Berechnungen zeigten, dass ein Kupfer-Katalysator eigentlich nicht funktionieren sollte. Im Experiment konnten wir allerdings eine hohe elektrokatalytische Aktivität messen“, beschreibt Julia Kunze-Liebhäuser. Um diesem widersprüchlichen Ergebnis auf die Spur zu kommen, schauten die Wissenschaftler_innen genauer hin und fanden mit dem Rastertunnelmikroskop die Erklärung für die hohe Aktivität des Kupferkatalysators. „Wir haben herausgefunden, dass Kupfer während der Reaktion seine Oberfläche verändert und sich hier laufend kleine Inseln aus wenigen Kupfer-Atomen bilden. In diesen hervorstehenden, nur nanometergroßen Clustern speichert sich, lokal abgegrenzt, unter der angelegten Spannung die Ladung adsorbierender Moleküle, was zu fundamental anderen Bindungseigenschaften führt.“ Diese Fähigkeit von Kupfer, seine Bindungsstärke für geladene und neutrale Moleküle durch nanometrische Cluster auf der Katalysatoroberfläche separat und entkoppelt zu verändern, könnte einen komplett neuen Zugang zur Erfüllung des Sabatierprinzips darstellen. Bei Kupfer bilden sich diese Cluster spontan; die Arbeitsgruppe um Julia Kunze-Liebhäuser will nun in Zukunft erforschen, ob diese Cluster auch gezielt erzeugt werden können.

Abstract aus Nature Catalysis – Die Entwicklung von Niedertemperatur-Brennstoffzellen zur sauberen Energieerzeugung ist eine attraktive Alternative zu fossilen Brennstofftechnologien. CO ist ein wichtiges Zwischenprodukt bei der Elektrooxidation von energietragenden Brennstoffen und aufgrund seiner starken Wechselwirkung mit modernsten Pt-Elektroden als Gift bekannt. Hier demonstrieren wir die Fähigkeit von erdreichem Cu, CO in alkalischen Medien effizient elektrooxidieren zu können und dabei hohe Stromdichten von ?0.35 mA cm-2 an einkristallinen Cu(111)-Modellkatalysatoren zu erreichen. Starke und kontinuierliche Veränderungen der Oberflächenstruktur werden unter Reaktionsbedingungen beobachtet. Unterstützt durch mikrokinetische Modellierung der ersten Prinzipien zeigen wir, dass das gleichzeitige Vorhandensein von hochenergetischen, unterkoordinierten Cu-Strukturen an der Oberfläche eine Voraussetzung für die hohe Aktivität ist. Ähnliche CO-induzierte Selbstaktivierung wurde für Gas-Oberflächenreaktionen an Münzmetallen berichtet, was die starken Parallelen zwischen heterogener thermischer Katalyse und heterogener Elektrokatalyse aufzeigt.

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