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„Elektrisierende“ Chemie unter der Lupe

Spektroelektrochemisches Labor am Department Chemie und Pharmazie der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU). V.l.n.r.: Prof. Dr. Jörg Libuda, Dr. Olaf Brummel, der eine Messzelle für Infrarotspektroskopie in der Hand hält, und Doktorand Firas Faisal. (Bild: FAU/Fabian Kollhoff)

FAU-Wissenschaftler entwickeln Methode, um Elektrokatalysatoren zu untersuchen

Die Chemie hat eine „elektrisierende“ Zukunft: Mit der steigenden Verfügbarkeit elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen wird es in der Zukunft möglich sein, viele chemische Prozesse durch elektrischen Strom anzutreiben. Auf diese Weise können auf nachhaltige Weise Produkte oder Brennstoffe erzeugt werden, für deren Erzeugung wir jetzt noch fossile Rohstoffe einsetzen. Wie diese Elektrokatalysatoren genau funktionieren, ist jedoch noch nicht restlos geklärt. Mit einer neuen Methode von Forschern der FAU und des Helmholtz-Instituts für Erneuerbare Energien Erlangen-Nürnberg (HI ERN) könnte sich das nun ändern.

Fast immer finden elektrisch angetriebene Reaktionen an sogenannten Elektrokatalysatoren statt. Dabei handelt es sich um  meistens sehr komplex aufgebaute Materialien, die aus einer Vielzahl von chemischen Komponenten bestehen. Der Elektrokatalysator hat die Aufgabe, die Reaktion möglichst ohne Verluste ablaufen zu lassen, um wenig der aufwendig hergestellten erneuerbaren Energie zu verschwenden. Auf diese Weise können zum Beispiel wichtige Energieträger wie Wasserstoff direkt aus Wasser erzeugt und Klimagase wie Kohlendioxid in wertvolle chemische Grundstoffe verwandelt werden.  In den meisten Fällen sind die genauen chemischen Abläufe am Elektrokatalysator kaum bekannt. Ein genaueres Verständnis dieser elektrisch angetriebenen Chemie ist aber dringend notwendig: zum einen, um ganz gezielt Katalysatoren für neue Prozesse herzustellen, zum anderen, um die häufig sehr begrenzte Lebensdauer der Katalysatoren zu verbessern.

Wie im Journal Nature Materials berichtet, stellen nun Forscher der FAU, des HI-ERN und weiteren internationalen Partnergruppen eine neue Methode vor, um in Zukunft elektrokatalytische Reaktionen viel genauer untersuchen zu können. Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Jörg Libuda, Professur für Physikalische Chemie an der FAU, hat in Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Karl Mayrhofer vom HI-ERN gezeigt, dass es möglich ist, einen komplizierten Elektrokatalysator mit atomarer Genauigkeit zusammenzubauen und daran den genauen Verlauf elektrokatalytischer Reaktionen zu untersuchen. Der Zusammenbau des Katalysators erfolgt dabei im sogenannten Ultrahochvakuum, das heisst unter Ausschluss sämtlicher Verunreinigungen, die häufig die Ergebnisse beeinflussen. Nach diesem Durchbruch wird es in der Zukunft mit der gleichen Strategie möglich sein, eine Vielzahl weiterer Katalysatoren zu untersuchen und so ein viel besseres Verständnis der „elektrisierten“ Zukunftschemie zu erhalten.

Ihre Ergebnisse haben die Forscher in dem renommierten Journal Nature Materials veröffentlicht: https://doi.org/10.1038/s41563-018-0088-3

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