Wien – Chemische Reaktionen, die sich mit elektrischem Strom steuern lassen, spielen eine zunehmend wichtige Rolle, etwa bei der Elektrolyse oder in chemischen Energiespeichern. Österreichische und deutscher Forscher haben nun gezeigt, dass sich ein spezielles Material als Katalysator eignet, den man gezielt ein- und ausschalten kann. Im Fachjournal "Nature Communications" berichten sie nun, wie das funktioniert. Das soll die Entwicklung noch besserer Katalysatoren ermöglichen.

Im Mittelpunkt der Arbeit von Alexander Opitz vom Institut für Chemische Technologien und Analytik der Technischen Universität (TU) Wien stehen sogenannte Perowskite: "Das ist eine sehr vielfältige Materialklasse, manche davon eigenen sich sehr gut als Katalysator". Vorteil der Perowskite ist ihre Durchlässigkeit für Sauerstoff-Ionen. "Dadurch leiten sie elektrischen Strom, und das machen wir uns zunutze", erklärte Opitz.

Vergängliche katalytische Wirkung

In ihrer Studie untersuchten die Forscher ein spezielles Material aus Lanthan, Strontium, Eisen und Sauerstoff. Legt man eine elektrische Spannung daran an, beginnen Sauerstoff-Ionen durch das Material zu wandern. Überschreitet die Spannung einen bestimmten Wert, fangen auch Eisen-Atome an zu wandern. Sie bewegen sich an die Oberfläche und bilden dort winzige Nanopartikel – die ausgezeichnete Katalysatoren sind.

Die katalytische Aktivität geht aber wieder zurück, sobald man die elektrische Spannung umkehrt. Woran das liegt, war bisher unklar. Es wurde vermutet, dass die Eisenatome wieder zurück in den Kristall wandern. "Aber das stimmt nicht. Um den Ein- und Ausschalt-Effekt zu ermöglichen, müssen die Eisen-Atome ihren Platz an der Material-Oberfläche gar nicht verlassen", erklärte Opitz, der diesen Effekt und die Struktur der Nanopartikel mit einem Team am Deutschen Elektronen Synchrotron (DESY) in Hamburg untersucht hat.

Interessant für technische Anwendungen

Es zeigte sich, dass die Nanopartikel zwischen zwei verschiedenen Zuständen hin und her wechseln – je nachdem, welche Spannung angelegt wird. Diese entscheidet darüber, ob die Sauerstoff-Ionen in Richtung der Eisen-Nanopartikel gepumpt werden, oder von ihnen weg. So kann man steuern, wie viel Sauerstoff in den Nanopartikeln enthalten ist und damit, ob das Material katalytisch sehr aktiv ist (bei Sauerstoffarmut), oder nur geringe katalytische Aktivität hat (bei Sauerstoffreichtum).

Weil dieser Unterschied mit dem Wechsel zwischen zwei unterschiedlichen Kristallstrukturen zu tun hat, wissen die Forscher, dass der Prozess bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen effizient ablaufen kann. "Das macht diesen Typ Katalysator noch interessanter, weil er damit potenziell auch für die Beschleunigung technologisch relevanter Reaktionen eingesetzt werden kann", so Opitz. Als Beispiel nennt er die Gewinnung von Wasserstoff oder Synthesegas, oder die Energiespeicherung durch die Herstellung von Treibstoff mit elektrischem Strom. (APA, 3.10.2020)