Neue Methode macht im Labor sichtbar, wo Katalysatoren wirken

Jahrzehntelang bedeutete, einen Katalysator zu messen, ihn zu mitteln. Herkömmliche Messungen mitteln die Aktivität vieler Katalysatorpartikel auf einmal, wodurch die lokalen Unterschiede verborgen bleiben, die erklären könnten, warum eine Stelle funktioniert und eine andere nicht. Das Team am College of Design and Engineering der National University of Singapore hat einen Weg entwickelt, diese Unterschiede sichtbar zu machen. Die Methode mit dem Namen DELINE verfolgt während des Betriebs einzelne Reaktionsereignisse über die gesamte Oberfläche eines Katalysators.

Viele katalytische Reaktionen senden kein Licht aus und lassen sich daher nicht unter dem Mikroskop beobachten. DELINE umgeht dieses Problem, indem es die untersuchte Reaktion mit einer deutlich schnelleren Folgereaktion koppelt, die ein fluoreszierendes Signal erzeugt. Das Team wandte die Methode auf dünne Goldplättchen an, während Wasser an dem Metall gespalten wurde: Dabei wird Wasserstoff freigesetzt, der sich später zu Wasserstoffgas verbinden kann, außerdem entstehen Hydroxidionen. Ein Sondenmolekül reagiert mit diesen Hydroxidionen und leuchtet auf, sodass jeder leuchtende Fleck ein Ereignis dokumentiert. Kontrollversuche bestätigten, dass die Sonde die katalytische Aktivität des Goldes nicht veränderte. Über 39 Goldplättchen und 195 Oberflächenbereiche hinweg waren Kanten und Seitenflächen meist aktiver als die breiten, flachen Flächen, wobei die Aktivität auch innerhalb dieser Flächen schwankte.

Das zentrale Ergebnis ist ein Zielkonflikt. Durch Variation der angelegten Spannung maßen die Forschenden, wie stark die Reaktion in jedem Bereich beschleunigt wurde, und schätzten eine Grundrate im Gleichgewicht. Bereiche, die stärker auf die Spannung reagierten, hatten tendenziell eine niedrigere Grundrate – eine Beziehung, die das Team als kinetische Kompensation bezeichnet. Computersimulationen und zusätzliche Bildgebung deuteten auf Natriumionen in der umgebenden Flüssigkeit hin, die sich ungleichmäßig nahe dem Gold ansammelten. Diese Anreicherung verändert benachbarte Wassermoleküle und macht die Reaktion empfindlicher gegenüber der Spannung, während sie die Oberfläche verstopft und die Grundrate senkt. „Zu wissen, welche Teile eines Katalysators aktiv sind, ist nur der Ausgangspunkt“, sagte Assistenzprofessor Mao Xianwen, der die Forschung leitete. „DELINE erlaubt es uns, diese Unterschiede genauer heranzuzoomen.“

Dieselbe Methode wurde an Kupferplättchen bei der Wasserspaltung und bei der Nitratreduktion eingesetzt, einer Reaktion, bei der Nitrat in andere Stickstoffverbindungen umgewandelt wird. Bei Kupfer waren die breiten, flachen Flächen aktiver als die Kanten – das genaue Gegenteil des Musters beim Gold. Das Team nutzte seine Reaktionskarten außerdem, um hohle Goldplättchen mit unterschiedlich breiten Rändern zu modellieren: Ein breiterer Rand konnte die Aktivität je nach Spannung steigern oder senken. Für einen Wasserstoffproduzenten ist das relevant, wenn die Leistung steigen muss. Ein Katalysator, der stärker auf die Spannung reagiert, benötigt womöglich eine kleinere Spannungserhöhung, um schneller zu arbeiten; seine Empfindlichkeit zählt daher neben seiner Grundaktivität. Für die Forschung eröffnet sich damit die Möglichkeit, Katalysatorformen gezielt auf die Bedingungen abzustimmen, unter denen ein Gerät tatsächlich betrieben wird. Die Forschenden sagen, der Ansatz ließe sich auf weitere Elektrokatalysatoren und Reaktionen übertragen. Die Arbeit ist bislang Laborforschung an Metallplättchen, und die Studie nennt keinen Zeitplan für einen industriellen Einsatz.