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Jülich (forschungszetrum) - Neuartige Nanopartikel-Katalysatoren könnten die Kosten für Brennstoffzellen
dramatisch reduzieren. Ein von Berliner und Jülicher Forschern entwickelter Katalysator kommt mit einem Zehntel
der üblichen Platinmenge aus. Doch wie die oktaedrische Form der Partikel und die besondere Verteilung der
Elemente zustande kommen, war bisher unklar. Mithilfe ultrahochauflösender Elektronenmikroskopie konnten die
Wissenschaftler nun erstmals zeigen, dass das kristalline Wachstum in unterschiedlichen Stufen verläuft. Die
Erkenntnisse könnten helfen, die bislang noch kurze Lebensdauer zu verbessern.
Mit einer Größe von zehn Nanometern sind die Teilchen des hocheffizienten Katalysatormaterials ungefähr
zehntausendmal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Charakteristisch ist ihre Form, die einem
Oktaeder - zwei an den Grundflächen aneinandergesetzten Pyramiden - entspricht.
Auf welche Weise sich die Oktaederform während des Wachstums ausbildet und wie sich dabei die Elemente der
Platin-Nickel- oder auch Platin-Kobalt-Legierung verteilen, war bislang völlig unbekannt. Diese Informationen
sind jedoch entscheidend um Katalysator-Nanopartikel mit optimaler Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit herzustellen.
"Aktivität und Stabilität der Partikel hängen entscheidend davon ab, wie die Elemente im Katalysatormaterial
verteilt sind. Hierbei kann schon eine einzelne atomare Lage einen großen Unterschied bewirken", erläutert
Dr. Marc Heggen vom Ernst Ruska-Centrum (ER-C) und vom Jülicher Peter Grünberg Institut. Wie die Forscher
des Forschungszentrums Jülich, der Technischen Universität Berlin und der Tsinghua Universität in
China herausfanden, wachsen die kristallinen Katalysatorteilchen nicht gleichmäßig, sondern in mehreren
Stufen.
Zunächst bildet sich, ausgehend von einem kugelförmigen Keim, innerhalb weniger Stunden ein kreuzförmiges
Grundgerüst mit sechs Spitzen, das nahezu ausschließlich aus Platinatomen entsteht. Anschließend
lagern sich in einem sehr viel langsameren Wachstumsschritt vorwiegend Nickel- oder Kobaltatome in den entstandenen
Mulden an. Wenn die Oberflächen des Oktaeders glatt aufgefüllt sind, stoppt das Wachstum. Die Form gilt
für diese Art Katalysatoren als ideal, weil die chemischen Reaktionen an den Oberflächen besonders effektiv
ablaufen.
Die Ungleichverteilung der Elemente während des Wachstums bleibt im Oktaeder erhalten und hat entscheidenden
Einfluss auf sein katalytisches Verhalten. "Dass wir nun genauer verstehen, wie solche binären Partikel
bei der Herstellung wachsen, wird dabei helfen, die Effizienz und Stabilität schon bald weiter zu verbessern",
ist sich Heggen sicher.
Um mit atomarer Genauigkeit zu erkennen, wo sich welches Element befindet, nutzten die Forscher eines der weltweit
höchstauflösenden Elektronenmikroskope am ER-C, einer Einrichtung der Jülich Aachen Research Alliance.
Dabei wird der Elektronenstrahl fein gebündelt durch die Probe geschickt. Durch die Wechselwirkungen mit der
Probe verliert er einen Teil seiner Energie, wodurch jedes Element in der Probe wie mit einem Fingerabdruck eine
charakteristische Spur hinterlässt. Herkömmliche Elektronenmikroskope können solche chemischen Signaturen
nicht mit atomarer Auflösung erkennen.
Originalveröffentlichung:
Element-specific anisotropic growth of shaped platinum alloy nanocrystals
L. Gan, C. Cui, M. Heggen, F. Dionigi, S. Rudi, P. Strasser
Science, will be published online: 19. December 2014; DOI: 10.1126/science.1261212
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