Um die Energiewende zu meistern, kommt es auch darauf an, günstige und effiziente Materialien zu entwickeln, die für die Aufspaltung von Wasser oder CO2 durch Elektrokatalyse eingesetzt werden können. Dabei wird ein Teil der elektrischen Energie in den chemischen Reaktionsprodukten gespeichert.
Wie effizient solche Elektrokatalysatoren arbeiten, hängt stark davon ab, wie die Grenzflächen zwischen Elektroden und Elektrolyt beschaffen sind: die zwischen den festen Elektroden und dem typischerweise wässrigen Elektrolyten. Doch eine ortsaufgelöste physikalische Untersuchung solcher Fest-Flüssig-Grenzflächen war bisher kaum verfügbar.
Neue Methode der Rasterkraftmikroskopie
Dr. Christopher S. Kley vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) hat nun mit seinem Team einen neuen Ansatz für die korrelative Rasterkraftmikroskopie entwickelt. Hierbei wird eine extrem scharfe Spitze berührend über die Oberfläche gerastert und deren Höhenprofil aufgezeichnet. Mit der am Ende eines miniaturisierten Federbalkens angebrachten Spitze lassen sich die Kraftwechselwirkungen zwischen Spitze und Probenoberfläche mit hoher Empfindlichkeit messen, einschließlich der Reibungskräfte. Außerdem kann der durch den mechanischen Kontakt fließende elektrische Strom gemessen werden, sofern eine Spannung anliegt.
„Damit konnten wir in situ (also unter relevanten Flüssigphasen-Bedingungen statt im Vakuum oder an der Luft) die elektrische Leitfähigkeit, die mechanisch-chemische Reibung und die morphologischen Eigenschaften bestimmen, und zwar zeitgleich“, sagt Kley.
Optimierung von Katalysatoren
Mit dieser Methode untersuchte die Gruppe in Zusammenarbeit mit Prof. Beatriz Roldán Cuenya vom Fritz-Haber-Institut (FHI) nun einen nanostrukturierten und bimetallischen Kupfer-Gold-Elektrokatalysator. Solche Materialien werden beispielsweise für die elektrokatalytische Umwandlung von CO2 in Energieträger eingesetzt.
„Wir konnten sehr deutlich Inseln aus Kupferoxid identifizieren, die einen höheren elektrischen Widerstand aufweisen, aber auch Korngrenzen und niedrigleitende Bereiche in der Hydratationsschicht, wo die Katalysatoroberfläche mit dem wässrigen Elektrolyten in Berührung kommt“, sagt Dr. Martin Munz, Erstautor der Studie. Solche Ergebnisse zu Katalysator-Elektrolyt-Grenzflächen helfen, diese gezielt zu optimieren.
„Wir können nun beobachten, wie lokale elektrochemische Umgebungen den Ladungstransfer an der Grenzfläche beeinflussen“, erklärt Kley. Die Ergebnisse seien für die Energieforschung von Interesse, insbesondere für elektrochemische Umwandlungsprozesse, die in Batteriesystemen eine Rolle spielen.
Einsatz in anderen Bereichen
Einsichten in Fest-Flüssig-Grenzflächen können aber auch in ganz anderen Forschungsgebieten hilfreich sein. Dazu zählen zum Beispiel Korrosionsprozesse, Nanosensorik-Systeme, Fluidik und Umweltwissenschaften wie Auflösungs- oder Ablagerungsprozesse an Metalloberflächen. Die Weiterentwicklung der Messmethode erfolgte im Rahmen des CatLab-Projekts, in dem Teams des HZB und FHI gemeinsam an der Entwicklung von Dünnschicht-Katalysatoren für die Energiewende arbeiten.
