Sie sind hoch selektiv und lassen sich leicht vom Reaktionsgemisch trennen: Einzelatomkatalysatoren vereinen die Vorteile homogener und heterogener Katalyse. Forschende haben es nun geschafft, sie auf einem neuartigen Weg herzustellen – selbstständig und ohne Edelmetalle, wie die Universität Duisburg-Essen mitteilt. Ihre Erkenntnisse eröffnen neue Wege für die einfachere, nachhaltigere Produktion von katalytisch aktiven Materialien.
MXene sind eine Klasse zweidimensionaler Materialien, die erst 2011 entdeckt wurde. Theoretische Studien sagten bisher voraus, dass sie in anodischen Prozessen nicht katalytisch aktiv sind. Diese These konnten Forschende um Prof. Dr. Kai S. Exner, Leiter der Theoretischen Katalyse und Elektrochemie der Universität Duisburg-Essen, nun per Multiskalenmodellierung widerlegen.
Elektrisches Potenzial verändert MXene
Die neue Erkenntnis Legt man ein elektrisches Potenzial an MXene an, verändert sich ihre Oberfläche zu einer bürstenähnlichen Struktur: Atome unedler Metalle wandern heraus und bilden so genannte „SAC-like structures“ (single atom catalysts-like = ähnlich Einzelatomkatalysatoren). Diese vermitteln zwei wichtige Reaktionen, die Sauerstoff- und die Chlorgasentwicklung.
So entsteht ein Material, dessen Oberfläche ohne die Zugabe von Edelmetallen katalytisch aktive Stellen aufweist. „Wir konnten daraus schließen, dass sich MXene in einer elektrochemischen Umgebung ähnlich wie Enzyme verhalten. Durch das Anlegen eines elektrischen Potenzials entstehen ihre aktiven Stellen direkt im Prozess“, erläutert Exner.
Herstellung nur von Chlor oder nur von Sauerstoff möglich
Das Team konnte außerdem zeigen, dass die Strukturen selektiv arbeiten: Befinden sich Wasser und Chloridionen gleichzeitig in der Reaktionsumgebung, findet ausschließlich die Chlorgasentwicklung statt. Diese ist ein zentraler Prozess in der chemischen Industrie, der weltweit jährlich über 70 Millionen Tonnen Chlorgas (Cl2) liefert. Chlor wird unter anderem zur Herstellung von Medikamenten, Kunststoff und Batterien sowie zur Aufbereitung von Wasser benötigt. Steht der aktiven MXene-Oberfläche lediglich Wasser zur Verfügung, setzt sie hingegen Sauerstoff (O2) frei – ein wichtiger Schritt für die Bildung von grünem Wasserstoff in einem Elektrolyseur.
Diese Entdeckung kann die Herstellung von Einzelatomkatalysatoren deutlich erleichtern. Der Verzicht auf teure Edelmetalle reduziert zudem Kosten und Abhängigkeiten.