Chemiker der TU Dresden stellen erstmals Edelmetall-Aerogele mit acht Metallen für verschiedene Elektrokatalyse-Prozesse her. Ihre Arbeiten wurden in der renommierten Zeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.

Als Newcomer in der Aerogel-Familie vereinen Edelmetall-Aerogele (engl. Abkürzung: NMA) Eigenschaften sowohl von Edelmetallen, als auch von Aerogelen, wodurch sie besondere Vorteile in der Energie- und Elektrokatalyse mit sich bringen. Die Herstellung von NMAs gestaltet sich jedoch noch immer weitgehend schwierig, was größtenteils auf das unzureichende Verständnis der Geliermechanismen und der beteiligten Schlüsselinhaltsstoffe, wie Reduktionsmittel und Liganden, zurückzuführen ist.

Der Humboldt-Forschungsstipendiat Dr. Ran Du ist seit 2017 Postdoc in der Gruppe der Physikalischen Chemie von Prof. Alexander Eychmüller an der TU Dresden. In Zusammenarbeit mit Dr. Jinying Wang von der Purdue University, USA, und Dr. Yue Hu von der Wenzhou University, China, entschlüsselte Dr. Du nun mehrere Rollen von Reduktionsmitteln im Herstellungsprozess von NMAs. Durch die Entschlüsselung der verschiedenen Rollen der Reduktionsmittel und die eingehende Untersuchung der zugrundeliegenden Bildungsmechanismen entwickelte das internationale Team eine extrem leistungsfähige, auf Reduktionsmittel ausgerichtete Gelierungsstrategie. Damit wird die Herstellung von Gold-Aerogelen mit einer rekordverdächtigen Oberfläche und die Ausdehnung der verfügbaren Elemente auf acht Metalle ermöglicht. Dr. Ran Du und sein Team eröffnen damit neue Wege für innovative Hochleistungs-Elektrokatalysatoren für die Sauerstoff-Evolutions-Reaktion (OER), wie sie für die Wasserspaltung verwendet wird, und die Ethanol-Oxidationsreaktion (EOR) in Brennstoffzellen.

Bereits vor einigen Monaten, berichtete Dr. Du in einer Publikation über eine Salz-gesteuerte Gelierung und die dahinterstehenden Mechanismen (Sci. Adv. 2019). Reduktionsstoffe zur Erzeugung von Edelmetall-Nanopartikeln (NPs), zum Beispiel Natriumborhydrid (NaBH4), sind ebenfalls Salze, weshalb Ran Du und sein Team davon ausgingen, dass dieses Salz auch die Gelierung von NMAs auslösen kann. Durch experimentelle und theoretische Ansätze zeigten sie die vielfältigen Funktionen breiter elektrolytischer Reduktionsmittel, d.h. als Reduktionsmittel, Liganden und Aussalzungsmittel. Darüber hinaus konnten sie nachweisen, dass NaBH4 auf einzigartige Weise den Gelierprozess stark fördern kann.

© Dr. Ran Du

Mit diesem tiefgreifenden Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen, haben die Chemiker eine leistungsfähige, auf Reduktionsmittel ausgerichtete Gelierungsstrategie entwickelt, die vielseitige Manipulationen von NMAs ermöglicht. Unter Einbeziehung der Ligandenchemie wurden Goldaerogele mit einer rekordverdächtigen spezifischen Oberfläche von bis zu 59,8 m2 g-1 hergestellt. Die Zusammensetzung der NMAs konnte außerdem auf alle gängigen Edelmetalle (Gold (Au), Silber (Ag), Palladium (Pd), Platin (Pt), Ruthenium (Ru), Rhodium (Rh), Iridium (Ir) und Osmium (Os)) erweitert werden. Unerwartete spontane Verbrennungsphänomene wurden bei Ru-, Rh- und Au-Ru-Aerogelen beobachtet.

Die breit verfügbaren NMAs erleichtern die Optimierung verschiedener wichtiger Elektrokatalyseprozesse. Ran Du und sein Team beobachteten einen unkonventionellen, ligandenfördernden Effekt, der die Leistung der elektrokatalytischen Ethanol-Oxidationsreaktion (EOR) des Gold-Palladium (Au-Pd)-Aerogels um 50% steigert und eine bis zu 7,7 Mal höhere Vorwärtsstromdichte als die von kommerziellem Palladium auf Kohlenstoff (Pd/C) aufweist. Darüber hinaus wurden Gold-Iridium (Au-Ir)-Aerogele mit Kern-Hülle-Struktur als ausgezeichnete OER-Elektrokatalysatoren charakterisiert, die kommerzielle Ir/C- und IrO2-Katalysatoren sowohl in alkalischer als auch in saurer Umgebung übertreffen.

"Wir glauben, dass die aktuellen Arbeiten nicht nur einen großen Schritt in Richtung eines aufschlussreichen Verständnisses der Gelierungsmechanismen, der Manipulation der Mikrostrukturen und der Anreicherung der Zusammensetzungsbibliothek von NMAs machen, sondern auch eine neue Dimension für die Entwicklung von Hochleistungs-Elektrokatalysatoren eröffnen, indem sie sich die Ligandeneffekte zunutze machen", vermutet der Chemiker Ran Du.

Originalveröffentlichung:

Du, R., Wang, J., Wang, Y., Hübner, R., Fan, X., Senkovska, I., Hu, Y., Kaskel, S., Eychmüller, A., (2020). Unveiling Reductant Chemistry in Fabricating Noble Metal Aerogels for Superior Oxygen Evolution and Ethanol Oxidation. Nat. Commun., DOI: 10.1038/s41467-020-15391-w.

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Referentin für Öffentlichkeitsarbeit
Bereich Mathematik und Naturwissenschaften
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