Britische Wissenschaftler ordnen Atome neu an und erschließen neuen grünen Wasserstoff-Katalysator

Unter der Leitung, PhD, Professor an der School of Chemistry der University of Nottingham, erstellte das Team Nanopartikel, die ein paar Dutzend Platin- und Nickelatome enthalten. Anschließend zeichneten sie ungewöhnliche atomare Veränderungen direkt im Raum und in Echtzeit auf.

Während sich die Metalle voneinander trennten, behielten sie eine atomar definierte Grenzfläche bei. Das Team beobachtete, dass die Struktur für die elektrochemische Wasserspaltung hochaktiv ist, was zu einer effizienten Wasserstoffproduktion führt.

Ein neuer WasserstoffwegDas Projekt vereinte Forscher der University of Nottingham, der University of Birmingham, des Diamond Light Source sowie der Universität Ulm in Deutschland. „Besonders spannend an dieser Entdeckung ist, dass wir die Struktur des Partikels reversibel einstellen können, während wir den Prozess direkt im atomaren Maßstab beobachten", so Fernandes.

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Zur Herstellung der Nanopartikel griff das Team auf fortschrittliche Elektronenmikroskopie zurück. Die Platin- und Nickelatome waren zunächst gleichmäßig verteilt und bildeten eine konventionelle Legierung. Innerhalb weniger Sekunden begannen jedoch die beiden Metalle, sich zu trennen, während sie eine gemeinsame atomare Grenzfläche beibehielten.

Diese Beobachtung widersprach der üblichen Tendenz gemischter Materialien, vermengt zu bleiben. Sie deutete darauf hin, dass sich die Nanopartikel unter bestimmten Bedingungen dynamisch neu organisieren können. Zeitauflösende Elektronenmikroskopie-Video, das die Umwandlung zeigt.

Quelle: University of Nottingham „Dies war eine erstaunliche Beobachtung, da sie sich scheinbar gegen konventionelles thermodynamisches Verhalten richtete", sagte Emerson Kohlrausch, PhD, der Forscher, der die experimentelle Arbeit an der University of Nottingham leitete.

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Der Trennprozess tritt auf, wenn Atome in Mikroskopie-Experimenten mit einem Strahl hochenergetischer Elektronen wechselwirken.

Die Elektronenstrahlen übertragen Energie auf die Atome und bewirken, dass sie sich bewegen und neue Positionen innerhalb des Partikels einnehmen. „Es ist wichtig, Bedingungen zu schaffen, unter denen wir die Positionen jedes einzelnen Atoms verfolgen können", betonte Ute Kaiser, PhD, Professorin an der Ulm University.

Um dies zu erreichen, setzten wir das möglichste dünne Material zur Unterstützung der Nanopartikel ein, das Graphen, und steuerten die Energie und den Fluss des Elektronenstrahls sorgfältig.

Technik, Energie und Einsatz

Ein Durchbruch bei der Wasserstoffgewinnung: Als sich das Nickel vom Platin löste, reagierte es mit dem umgebenden Sauerstoff und bildete Nickeloxid (NiO). „Dies führt zu Nanopartikeln, die aus zwei Hälften bestehen – metallischem Platin und Nickeloxid, getrennt durch eine atomar definierte Grenzfläche", fügte Andrei Khlobystov, PhD, Professor für Nanomaterialien an der Universität, hinzu.

Nach Angaben der Forscher ist diese Grenzfläche der Schlüssel für die außergewöhnliche katalytische Leistung des Materials. Sie stellten fest, dass ein ähnlicher Trennprozess natürlich während der elektrochemischen Wasserspaltung auftritt.

Platin und Nickeloxid tragen jeweils unterschiedliche Funktionen zur Reaktion bei, und ihr enger atomarer Kontakt ermglicht eine effizientere Zusammenarbeit.

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Gleichzeitig liefert der resultierende Katalysator Wasserstoffproduktionsraten, die ihn zu einem der effektivsten bisher berichteten Materialien fr die elektrochemische Wasserspaltung machen. Dies erffnet eine neue Strategie fr die Entwicklung adaptiver Katalysatoren fr eine breite Palette ", sagte Fernandes in einer Pressemitteilung.

Der Prozess ist zudem reversibel: Durch nderung der experimentellen Bedingungen knnen die getrennten Materialien zu einer Legierung rekombinieren und sich daraufhin erneut aufspalten. Dies veranlasste das Team, die Partikel mit lebenden Systemen zu vergleichen. Dies inspirierte uns, ihre Dynamik fr die Katalyse zu nutzen", fasste Kohlrausch zusammen.

Neben der Wasserstoffproduktion knnte die neue Entdeckung auch das Design könnten die effiziente Energieumwandlung, die chemische Fertigung und nachhaltige industrielle Anwendungen vorantreiben. Die Studie wurde in der Zeitschrift Advanced Materials veröffentlicht.