Zehntausende potenzieller Katalysatoren im Durchmesser eines einzelnen Haares

Bei der Suche nach Katalysatoren für die Energiewende gelten Materialien, die aus mindestens fünf Elementen bestehen, als vielversprechend. Aber es gibt theoretisch Millionen von ihnen – wie identifizieren wir den mächtigsten?

Einem Bochumer Forscherteam um Professor Alfred Ludwig, Leiter der Abteilung Materialforschung und Grenzflächen (MDI), ist es gelungen, alle möglichen Kombinationen von fünf Elementen in einem einzigen Schritt auf einem Träger zu platzieren. Darüber hinaus entwickelten die Forscher eine Methode zur Analyse des elektrokatalytischen Potenzials jeder der Kombinationen in dieser Mikromaterialbibliothek im Hochdurchsatz.

So wollen sie die Suche nach potenziellen Katalysatoren erheblich beschleunigen. Das Team der Ruhr-Universität Bochum hat seine Ergebnisse in der Fachzeitschrift veröffentlicht Fortgeschrittene Werkstoffe.

Ein komplettes Fünf-Elemente-Materialsystem auf einem einzigen Träger

Zur Herstellung von Materialbibliotheken aus sogenannten Hochentropielegierungen setzen die Bochumer Forscher ein Sputterverfahren ein. Dabei werden alle Ausgangsmaterialien gleichzeitig aus unterschiedlichen Richtungen auf einen Träger aufgebracht.

Die Ausgangsstoffe werden in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen auf jedem Teil des Trägers abgeschieden. „Im aktuellen Projekt haben wir diesen Prozess durch den Einsatz von Pinholes so verfeinert, dass sich jede Materialmischung nur noch an einem winzigen Fleck von etwa 100 Mikrometern Durchmesser auf dem Träger absetzt“, sagt Alfred Ludwig. Dies entspricht in etwa dem Durchmesser eines menschlichen Haares.

„Durch die Miniaturisierung der Materialbibliotheken sind wir nun in der Lage, ein komplettes Fünf-Komponenten-System auf einem einzigen Träger unterzubringen – das ist ein immenser Fortschritt“, sagt Dr. Lars Banko von der MDI-Abteilung.

Forschung mit hängenden Tropfen

Um die so hergestellten Materialien zu untersuchen, setzen die Forscher die sogenannte Rasterelektrochemische Zellmikroskopie (SECCM) ein. Dabei werden die elektrochemischen Eigenschaften des Materials an einem bestimmten Punkt über einen hängenden Nanotropfen eines Elektrolyten gemessen, der ein Tausendstel des Durchmessers eines Haares misst.

„Dadurch können wir mit Hochdurchsatzmethoden die Kandidaten mit der höchsten katalytischen Aktivität lokalisieren, bei denen eine genauere Analyse sinnvoll erscheint“, sagt Professor Wolfgang Schuhmann, Leiter des Lehrstuhls für Analytische Chemie der Ruhr-Universität Bochum.

Mit diesen Methoden wollen die Forscher die Fülle möglicher Materialien für neue Katalysatoren effizient durchsuchen, um besonders katalysatoraktive Kandidaten zu identifizieren. Katalysatoren werden beispielsweise für Energieumwandlungsprozesse benötigt, die es uns ermöglichen könnten, grünen Wasserstoff als umweltfreundlichen Energieträger in großem Maßstab einzusetzen.