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Chemische Wellen helfen bei Erforschung von Brennstoffzellen-Kat

12.02.2018

Wiener Forschern ist es erstmals gelungen, auf einer mit winzigen Kristallen besetzten Oberfläche eine Vielzahl an vor- und rückwärts ablaufenden chemischen Reaktionen zu verfolgen. Das biete nicht nur ein optisch ansprechendes Bild, der dynamische Ablauf der "Chemie-Wellen" bringe auch Einblicke in die Arbeitsweise von Katalysatoren, die in Wasserstoff-Brennstoffzellen zum Einsatz kommen.

Im Gegensatz zum landläufigen Bild von chemischen Reaktionen mit definierten Ausgangsstoffen, dann ablaufenden Reaktionen und Endprodukten laufen die Dinge auf der mit Rhodiumkristallen gespickten Folienoberfläche, mit der sich die Wissenschafter der Technischen Universität (TU) Wien beschäftigen, nicht so stringent ab. Dort kann es zu "Oszillationen kommen, zum periodischen Wechsel zwischen zwei verschiedenen Zuständen", so Günther Rupprechter vom Institut für Materialchemie der TU Wien, der mit seinem Team der Grundlage jeder Brennstoffzelle - der Wasserstoffoxidation - auf der Spur ist, in einer Aussendung.

Dazu setzen sie die Rhodiumkristalle einer Atmosphäre aus Sauerstoff und Wasserstoff aus. Dabei lagern sich Sauerstoffmoleküle (O2) an der Oberfläche an und werden dort aufgespalten. Die einzelnen Atome können dann ins Innere des Kristalls wandern und bilden unter der äußersten Rhodium-Lage eine Oxidschicht. Dadurch verliert die Oberfläche mehr und mehr ihre Fähigkeit zur Bindung von weiterem Sauerstoff. Es wird stattdessen vermehrt Wasserstoff gebunden, der dann mit dem im Rhodium aufgenommenen Sauerstoff zu Wasser reagiert. Das Wasser verlässt die Oberfläche wieder. Irgendwann ist dann die Zahl der Sauerstoffatome wieder auf das ursprünglich niedrige Niveau zurückgekehrt und der ganze Prozess beginnt erneut.

Rückschlüsse auf Aufbau ziehen

Diese zyklischen Reaktionen laufen nicht gleichmäßig an der Kristalloberfläche ab. Je nachdem, in welcher Phase sich eine Region gerade befindet, erscheint sie im Fotoemissionselektronenmikroskop hell oder dunkel. Das Resultat ist ein erstaunliches Wellenmuster, das zu wandern scheint. "Uns ist es gelungen, auf einer polykristallinen Oberfläche zahlreiche Oszillationen unterschiedlicher Frequenz gleichzeitig ablaufen zu lassen", so der Erstautor der Studie, Yuri Suchorski, von der TU Wien. Eine solche polykristalline Oberfläche setzt sich aus verschiedenen Kristallkörnern zusammen, deren Kristallgitter in unterschiedlichen Winkeln zur Oberfläche ausgerichtet sind. Je nachdem, wie die Kristalle liegen, läuft die sich wiederholende Reaktion in unterschiedlichen Geschwindigkeiten ab.

Wenn die Forscher den Chemie-Wellen bei der verschieden raschen Ausbreitung über die Oberfläche zusehen, können sie aus dem Schauspiel auf den unterschiedlichen Aufbau rückschließen. "Aus diesen Strukturen können wir nun sehr viel über das Material lernen. Mit einem Blick können wir sehen, welche Regionen unserer Oberfläche bessere katalytische Eigenschaften haben", so Rupprechter.

Wie die Katalyse der Wasserstoffoxidation vonstattengeht, ist noch nicht hinreichen geklärt. Mit ihrer neuen Methode zur Beobachtung "haben wir jetzt eine neue, sehr elegante Möglichkeit, diesen Fragen nachzugehen", sagte Suchorski.

Service: Spezialforschungsbereich FOXSI: http://foxsi.tuwien.ac.at; Video zur Forschungsarbeit; https://www.youtube.com/watch?v=SKQ7C3IrAuc

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