Realisierung universeller Katalysatoren erwartet

Einfache Herstellung eines Super-Multi-Element-Katalysators mit homogen 14 Elementen

Eine japanische Forschungsgruppe hat einen “nanoporösen Super-Mehrelement-Katalysator”1 entwickelt, der 14 Elemente2 enthält, die auf atomarer Ebene gleichmäßig gemischt sind und als Katalysator verwendet werden. Eine hochentropische Legierung, die aus 10 oder mehr Elementen besteht, kann als Katalysator “universell und vielseitig” sein, da sie in der Lage ist, ihre Morphologie frei zu verändern und je nach Reaktionsfeld aktiv zu werden. Bislang war es jedoch nicht einfach, Entropie-Legierungen aus mehr als 10 Elementen herzustellen, denn einige Elemente lassen sich nur schwer mischen, wie etwa Wasser und Öl.

Die gemeinsame Forschungsgruppe unter Leitung von Research Associate Cai ZeXing und Professor Takeshi Fujita (School of Environmental Science and Engineering, Kochi University of Technology) und Professor Masahiro Miyauchi (School of Materials Science and Engineering, Tokyo Institute of Technology) hat einen “nanoporösen Super-Mehrelement-Katalysator” durch eine Methode entwickelt, die als Entlegierung3 bezeichnet wird, und zwar durch selektive Korrosion und Herauslösen eines bestimmten Elements aus der Legierung.

Die Herstellungsmethode ist – so ein Open-Access-Artikel in Chemical Science – einfach: Eine Aluminiumlegierung mit 14 Elementen wird hergestellt, und der nanoporöse Super-Mehrelement-Katalysator wird durch bevorzugte Auflösung von Aluminium mit einer alkalischen Lösung hergestellt. Es hat sich herausgestellt, dass durch diese Methode, während eine nanoporöse Struktur mit einer großen spezifischen Oberfläche (Oberfläche pro Masseneinheit des Materials) mit einer Porengröße von etwa 5 Nanometern geschaffen wird, andere Elemente als Aluminium, die sich nicht in der alkalischen Lösung auflösen, akkumuliert werden, um in Form einer Mischkristalllegierung4 aggregiert zu werden, in der die 14 Elemente auf atomarer Ebene gleichmäßig verteilt sind.

Ferner zeigte sich, dass der nanoporöse Super-Mehrelement-Katalysator aufgrund des Multielement-Überlagerungseffekts (Cocktaileffekt)5 hervorragende Eigenschaften als Elektrodenmaterial für die Wasserelektrolyse aufweist. Da dieser Katalysator viele verschiedene Elemente enthält, wird erwartet, dass er in Zukunft zu einem universellen und vielseitigen Katalysator entwickelt werden kann.

Die Forschungsarbeiten werden im Rahmen des Strategischen Grundlagenforschungsprogramms CREST (Typ Team) der Japan Science and Technology Agency (JST) durchgeführt – Forschungsbereich: “Innovative Katalysatoren und Erzeugungstechnologien für die Nutzung verschiedener natürlicher Kohlenstoffressourcen”.

Erläuterung der Begriffe

1 Nanoporöser Super-Mehrelement-Katalysator: Katalysator, bei dem mindestens 10 Elemente gleichmäßig in einer Schwammstruktur (poröse Struktur mit nanoskaligen Poren) verteilt sind, in der die nanoskaligen Poren zufällig miteinander verbunden sind.
2 14 Elemente: Gold (Au), Kobalt (Co), Kupfer (Cu), Eisen (Fe), Iridium (Ir), Molybdän (Mo), Nickel (Ni), Palladium (Pd), Platin (Pt), Rhodium (Rh), Ruthenium (Ru), Titan (Ti).
3 “Entlegierung” (Auflösen von Legierungen): Ein Verfahren zum selektiven Erodieren und Herauslösen bestimmter Elemente aus einer Legierung. Es wird auch als selektive Korrosion bezeichnet.
4 Mischkristall-Legierung: Eine Legierung, bei der zwei oder mehr Elemente miteinander verschmolzen werden, um eine einheitliche feste Substanz zu bilden.
5 Multielement-Überlagerungseffekt (Cocktaileffekt): Manifestation eines charakteristischen Merkmals, das sich aus der nichtlinearen Wechselwirkung zwischen verschiedenen Atomen ergibt. Es wird erwartet, dass er besondere und herausragende katalytische Eigenschaften offenbart, die bei herkömmlichen legierten Katalysatoren bisher nicht vorhanden waren.

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