Rasterkraftmikroskopie und Elektrochemie

Katalytische Aktivität von Kupferatomen untersuchen

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) Münster haben auf dem Forschungsgebiet der Einzelatomkatalysatoren Fortschritte erzielt: Mit Kollegen des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam und der Universität Paderborn entwickelten sie einen methodischen Ansatz, der die Charakterisierung mit atomarer Auflösung direkt mit der Analyse der elektrochemischen Eigenschaften bei der Reduktion von Sauerstoff verbindet. Dieses Verfahren kann hilfreich sein, um zukünftig maßgeschneiderte Katalysatoren effizienter zu gestalten.

Ultrahochvakuum-System am Center for Nanotechnology (CeNTech) mit einem Tieftemperatur-Rasterkraftmikroskop, das bei fünf Kelvin betrieben wird und mit einem Aufbau für Photoelektronenspektroskopie verbunden ist. © Mönig

Hintergrund und Methodik

In Katalysatoren werden oft Gold- oder Platin-Nanopartikel verwendet. Es wird versucht, solche Edelmetalle durch kostengünstigere Materialien zu ersetzen und in Form möglichst kleiner Partikel zu nutzen. In den vergangenen Jahren hat sich daher das Forschungsfeld von sog. Einzelatomkatalysatoren rasant entwickelt. Hier liegt das Metall nicht mehr in Form von Partikeln vor, sondern als einzelne Atome, die auf einer Oberfläche festgehalten werden. „Dieser Ansatz zeichnet sich dadurch aus, dass diese Atome nur sehr wenige Bindungspartner haben – auch niedrige Koordinierung genannt. Dementsprechend weisen sie eine sehr hohe katalytische Effizienz auf. Das bedeutet, sie haben eine bessere Wirkung hinsichtlich einer bestimmten Reaktion“, erklärt Dr. Harry Mönig vom Physikalischen Institut der WWU Münster.

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Für die Studie nutzte das Forschungsteam ein geordnetes Netzwerk, durch das sie einzelne Kupferatome mit sehr niedriger Koordinierung stabilisierten. „Hierzu haben wir organische Moleküle auf einer Kupferoberfläche zu einem zweidimensionalen (supramolekularen) Netzwerk verknüpft. Durch eine sehr starke Wechselwirkung zwischen der organischen Schicht und dem Kupfersubstrat werden einzelne Kupferatome aus dem Substrat herausgezogen und ‚hängen‘ sozusagen flexibel zwischen den einzelnen Einheiten des Netzwerks“, erläutert Dr. Mönig. In einem weiteren Schritt untersuchten die Wissenschaftler, ob die Kupferatome eine katalytische Aktivität zeigen. Hierzu führten sie verschiedene elektrochemische Experimente und begleitende Simulationen durch. Bei dem Verfahren zeigte sich eine robuste Reduktion von Sauerstoff, wodurch die atomaren Eigenschaften der Netzwerke in direkten Zusammenhang mit deren katalytischer Wirkung gebracht werden konnten. Für ihre Untersuchungen im atomaren Bereich nutzen die Wissenschaftler die Rasterkraftmikroskopie.

Die Studie wurde finanziell durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützt.

Originalveröffentlichung: Schulze Lammers, B., López-Salas, N., Stein Siena, J., Mirhosseini, H., Yesilpinar, D., Heske, J., Kühne T.D., Fuchs, H., Antonietti, M., and Mönig, H. (2022). Real-Space Identification of Non-Noble Single Atomic Catalytic Sites within Metal-Coordinated Supramolecular Networks. ACS Nano 2022, 16, 9, 14284–14296. DOI:10.1021/acsnano.2c04439,

Quelle: Westfälische Wilhelms-Universität Münster

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