20.03.2020
Ein Meilenstein in der ultraschnellen Gel-Herstellung
Alexander von Humboldt-Forschungsstipendiat Ran Du eröffnet an der TU Dresden neuen Raum für grundlagen- und anwendungsorientierte Studien für Edelmetallgele und andere Systeme.
Die Elektrokatalyse ist eines der am meisten untersuchten Themen im Bereich der Materialwissenschaften, da sie an vielen wichtigen energiebezogenen Prozessen, zum Beispiel der Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) für Brennstoffzellen, der Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) für die Produktion von grünem Wasserstoff und der Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) für Metall-Luft-Batterien beteiligt ist. Edelmetall-Aerogele (NMAs) bilden aufgrund der kombinierten Eigenschaften von Metallen und Aerogelen eine neue Klasse von hervorragenden Elektrokatalysatoren. Die Entwicklung dieser porösen Materialien wurde jedoch bisher durch die schleppenden Herstellungsmethoden behindert, die mehrere Stunden bis sogar mehrere Wochen dauern. Darüber hinaus wurden die einzigartigen optischen Eigenschaften von Edelmetallen, bei NMAs bisher ignoriert, was ihre potentiell hohe Leistung in der Elektrokatalyse einschränkt.
Der chinesische Chemiker Ran Du arbeitet als Alexander von Humboldt-Forschungsstipendiat seit 2017 in der Gruppe von Professor Alexander Eychmüller an der Physikalischen Chemie der TU Dresden. Gemeinsam zeigten sie kürzlich ein unkonventionelles Selbsthärtungsverhalten in Edelmetallgelen, welches in rein anorganischen Gelsystemen selten ist. Ihre bahnbrechenden Erkenntnisse wurden in der renommierten Zeitschrift Matter veröffentlicht.
Ran Du und sein Team entwickelten eine unkonventionelle und konzeptionell neue Strategie zur schnellen Gelierung: eine kontraintuitive, störungsinduzierte Geliermethode. Die in-situ-Einführung eines Störfeldes während der Gelierung erleichtert den Massentransport erheblich und induziert eine beschleunigte Reaktionskinetik. Nach Entfernung des Störfeldes können sich die resultierenden Gelstücke aufgrund der Selbstheilungseigenschaft wieder zu einem Monolithen zusammensetzen. Auf diese Weise wird die Transportbarriere von traditionellen Geliermethoden überwunden, was bei einer Raumtemperatur innerhalb von ein bis zehn Minuten zu einer Gelierung führt, ohne die Mikrostrukturen der Gele zu beeinträchtigen. Dies ist zwei bis drei Größenordnungen schneller als bei traditionellen Ansätzen. Der Mechanismus wurde durch Monte-Carlo-Simulationen unterstützt. Insbesondere können die Störungswege auf Schütteln und Blasenbildung ausgedehnt werden, und die Methode ist auf verschiedene Zusammensetzungen (Gold (Au), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Gold-Palladium (Au-Pd), Gold-Palladium-Platin (Au-Pd-Pt)) und Strukturen, wie die Kern-Schale-Struktur oder homogene Struktur, anwendbar.
Darüber hinaus nutzte Ran Du die kombinierten optischen und katalytischen Aktivitäten von Edelmetallen: „Wir konnten erstmals die photoelektrokatalytischen Eigenschaften von NMAs demonstrieren, indem wir die Ethanol-Oxidationsreaktion (EOR) als Modellreaktion benutzten, die eine Aktivitätssteigerung von bis zu 45,5 % durch Beleuchtung zeigte und eine bis zu 7,3 Mal höhere Stromdichte als die von kommerziellem Palladium/Carbon (Pd/C) realisierte. Damit haben wir Pionierarbeit bei der Erforschung der Photoelektrokatalyse an NMAs geleistet und neuen Raum für sowohl grundlegende als auch anwendungsorientierte Studien für Edelmetallgele und andere Systeme eröffnet“.
Originalveröffentlichung:
Du, R.; Joswig, J.-O.; Fan, X.; Hübner, R.; Spittel, D.; Hu, Y.; Eychmüller, A., Disturbance-Promoted Unconventional and Rapid Fabrication of Self-Healable Noble Metal Gels for (Photo-)Electrocatalysis. Matter 2020, DOI: 10.1016/j.matt.2020.01.002.
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