Sie sind hoch selektiv und lassen sich leicht vom Reaktionsgemisch trennen: Einzelatomkatalysatoren vereinen die Vorteile von homogener und heterogener Katalyse. Bisher ist ihre Herstellung in der Regel mit Edelmetallen verbunden, die auf einer Festkörperfläche verankert werden. Forschende unter der Leitung der Universität Duisburg-Essen zeigen nun, dass sich solche Strukturen auch elektrochemisch bilden können – selbstständig und ohne Edelmetalle. Ihre Erkenntnisse, publiziert im Fachjournal Journal of the American Chemical Society (JACS), 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 (UDE), nun per Multiskalenmodellierung widerlegen, berichtet die UDE.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler fanden heraus, dass sich die Oberfläche der Materialien durch Anlegen eines elektrischen Potenzial zu einer bürstenähnlichen Struktur verändert: Atome unedler Metalle wandern heraus und bilden sogenannte SAC-like structures (single atom catalysts-like = ähnlich Einzelatomkatalysatoren). Diese vermitteln zwei wichtige Reaktionen: die Sauerstoff- und die Chlorgasentwicklung.
So entsteht nach Mitteilung der UDE 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, erklärt Exner.
Das Team konnte außerdem zeigen, dass die entstandenen 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 laut UDE-Mitteilung jährlich über 70 Millionen Tonnen Chlorgas (Cl2) liefert. Cl2 wird unter anderem zur Herstellung von Medikamenten, Kunststoff, 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.
An der Studie waren auch Forschende der Universität Barcelona sowie Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von Ruhr Explores Solvation, kurz RESOLV, beteiligt.
Birte Vierjahn
Originalpublikation
Samad Razzaq, Shohreh Faridi, Stephane Kenmoe, Muhammad Usama, Diwakar Singh, Ling Meng, Francesc Vines, Francesc Illas, Kai S. Exner: MXenes Spontaneously Form Active and Selective Single-Atom Centers under Anodic Polarization Conditions; J. Am. Chem. Soc. 2024, https://doi.org/10.1021/jacs.4c08518
Kontakt
Prof. Dr. Kai S. Exner, Theoretische Katalyse und Elektrochemie, E-Mail: kai.exner@uni-due.de
- www.uni-due.de
Text zum Titelbild: Ein angelegtes elektrisches Potenzial verwandelt die MXene-Oberfläche, wodurch unedle Metallatome hervortreten und aktive Zentren für die Sauerstoff- oder Chlorgasentwicklung bilden (© UDE/AG Exner)
