Fünf Metalle erzeugen überlegene Nanokristalle

Ein Forschungsteam der Stanford University und des Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) hat einen bedeutenden Durchbruch im Bereich der Nanomaterialien erzielt. Den Wissenschaftlern ist es gelungen, einen Nanokristall zu konstruieren, der fünf verschiedene Metalle enthält. Dabei entdeckten sie ein kontraintuitives Phänomen: Je mehr Metallarten vorhanden sind, desto gleichmäßiger werden die Partikel. Diese Erkenntnis stellt das traditionelle Verständnis auf den Kopf, eröffnet völlig neue Wege für die Herstellung von Nanomaterialien und könnte weitreichende Auswirkungen auf die Entwicklung der Wasserstoffenergie haben. Die entsprechende Arbeit wurde in der Zeitschrift Science veröffentlicht.

1. Aktueller Stand und Herausforderungen bei Nanokristallen

Nanokristalle bestehen aus wenigen bis zu mehreren tausend präzise und geordnet angeordneten Atomen. Sie werden häufig in Produkten wie Transistoren und Displays von Computern und Smartphones verwendet. Durch ihre winzige Größe weisen sie ein enormes Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis auf, was sie zu hervorragenden Katalysatoren macht.

Bisher konzentrierte sich die Forschung jedoch meist auf Nano-kristalle aus ein oder zwei Metallen. Beim Versuch, drei oder mehr Metalle zu mischen, kommt es aufgrund der unterschiedlichen Reduktionsgeschwindigkeiten und -temperaturen der einzelnen Metalle leicht zu Problemen mit struktureller Unordnung und ungleichmäßiger Verteilung. Daher ist die kontrollierte Synthese von mehrmetallischen Nanokristallen seit langem eine Herausforderung in der Materialwissenschaft.

2. Die Erforschung des Weges vom Chaos zur Ordnung

Das Forschungsteam wählte Ruthenium, ein wertvolles und hochreaktives Metall, als Ausgangspunkt und fügte vier billigere und häufigere Materialien hinzu: Eisen, Kobalt, Nickel und Kupfer.

Allgemein ging man davon aus: Je mehr Metalle, desto größer das Chaos. Anfangs schien dies auch der Fall zu sein: Bei der Kombination von zwei Metallen mit Ruthenium war die Struktur ungeordnet; das Hinzufügen eines dritten Metalls half ebenfalls nicht.

Aber als die Anzahl der Metallarten auf fünf erhöht wurde, verschwand das Chaos. Aus 31 möglichen Produktkombinationen entstand ein einheitlicher, gleichmäßiger Fünfmetall-Nanokristall, bei dem alle Elementpartikel ein stabiles Verhältnis zueinander beibehielten.

3. Die Schlüsselrolle von Kupfer

Die Studie ergab, dass Kupfer der Schlüssel zur Lösung des Rätsels vom „Übergang vom Chaos zur Ordnung“ ist. Unter den vier kostengünstigen Metallen lässt sich Kupfer am leichtesten zum Metall reduzieren. Es lagert sich zuerst auf den Ruthenium-Samenpartikeln ab, vermischt sich jedoch nicht mit dem Ruthenium, sondern setzt sich nebendran fest und bildet ein Heterodimer, das als stabiles Gerüst dient.

Anschließend sendet diese Kupfer-Ruthenium-Struktur eine chemische „Einladung“ aus:

• Kobalt gesellt sich zum Ruthenium,
• Nickel gesellt sich zum Kupfer,
• Das am schwersten reduzierbare Eisen bildet schließlich die äußere Hülle.

Das Endergebnis ist ein zwiebelschalenartiges Partikel: Ein Kern aus Ruthenium mit Kupfer daneben, Kobalt und Nickel bilden eine mittlere Schale, während die äußerste Schicht reich an Eisen ist. Der gesamte Prozess läuft spontan ab, ohne menschliches Eingreifen.

4. Leistungsvorteile: Katalytische Aktivität und thermische Stabilität

Neben dem Synthesedurchbruch konnte das Team nachweisen, dass dieser Fünfmetall-Nanokristall bei der zunehmend wichtigen Ammoniakzersetzungsreaktion deutlich bessere Leistungen zeigt als Einzelmetalle. Messungen ergaben, dass die Reaktionsgeschwindigkeit des Fünfmetall-Nanokristall-Katalysators viermal höher liegt als die eines Standard-Rutheniumkatalysators.

Selbst nach 12 Stunden Dauerbetrieb bei 900 °C zeigte der Katalysator keine Einbußen in seiner Leistung, während der Einmetall-Rutheniumkatalysator zu diesem Zeitpunkt bereits deutlich gealtert war.

5. Unterstützung für Wasserstoffspeicherung, -transport und saubere Energie

Wasserstoff ist schwer zu speichern und zu transportieren. Er kann mit Stickstoff zu Ammoniak reagieren, das sich leichter verflüssigen und transportieren lässt. Am Zielort wird das Ammoniak dann wieder in Wasserstoff und Stickstoff zerlegt. Diese Zersetzung erfordert jedoch normalerweise Temperaturen über 600 °C, was eine große Herausforderung für Katalysatoren darstellt.

Der neue Fünfmetall-Nanokatalysator löst gleichzeitig die beiden großen Probleme der Aktivität und Stabilität und könnte die Kosten für die Ammoniakzersetzung erheblich senken sowie die praktische Anwendung der gesamten Wasserstoff-Wertschöpfungskette vorantreiben.