Eine aktuelle Studie unter der Leitung von Forscher*innen des MPI CEC in Zusammenarbeit mit internationalen Partnern hat Aufschluss über die strukturelle Dynamik von Einzelatomkatalysatoren (SACs) auf Kohlenstoffträgern während der Wasseroxidation gegeben. Mithilfe fortschrittlicher In-situ-Charakterisierungstechniken entdeckte das Team, dass SACs, die aus einzelnen Atomen von Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni) und den binären Metallen NiFe und CoFe bestehen, während der Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) erhebliche strukturelle Veränderungen durchlaufen, die zur Bildung von Clustern führen. Diese Erkenntnis widerlegt bisherige Annahmen, dass katalytische Reaktionen ausschließlich an isolierten Metallstellen in SACs stattfinden, und liefert wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung effizienterer Katalysatoren.
Strukturelle Umordnung während der Katalyse entdeckt
Durch eine Kombination aus In-situ-Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS), atomarer Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) und Elektronenspinresonanz (EPR) konnten die Forscher die Katalysatoren unter Reaktionsbedingungen in Echtzeit beobachten. Sie beobachteten, dass sich einzelne Metallatome zu amorphen (Oxy-)Hydroxid-Clustern umorganisieren, wobei doppelte Metallstellen durch Sauerstoffatome (M─O─M oder M─O─M', wobei M/M' = Fe, Co, Ni) überbrückt werden. Diese neu identifizierten doppelten Metallstellen spielen vermutlich eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der OER-Leistung und markieren eine Abkehr von der herkömmlichen Ansicht, dass isolierte Einzelatome allein für die katalytische Aktivität verantwortlich sind.
Biomasse-inspirierte Synthese für verbesserte Leistung
Zur Herstellung dieser SACs verwendete das Team eine neuartige, von Biomasse inspirierte Koordinationsbeschränkungsstrategie. Unter Verwendung von kostengünstigem graphitischem Kohlenstoffnitrid (g-C3N4) und Tanninsäure (TA) als Ausgangsstoffe gelang es ihnen, N-dotierte kohlenstoffbasierte SACs durch einen einfachen und skalierbaren Hochtemperatur-Karbonisierungsprozess zu synthetisieren. Die resultierenden Katalysatoren, insbesondere diejenigen mit zwei Metallelementen wie CoFe und NiFe, zeigten im Vergleich zu ihren Gegenstücken aus einem einzigen Metall eine überlegene OER-Aktivität. Diese innovative Synthesemethode verbessert nicht nur die Katalysatorleistung, sondern auch die praktische Anwendbarkeit für großtechnische Anwendungen.
Leitung der Forschungsarbeiten
Die Studie wurde von Dr. Wenchao Wan, Postdoktorand am MPI CEC, und Dr. Saskia Heumann, korrespondierende Autorin und Leiterin Forschungsgruppe „Kohlenstoffsynthese und -anwendung“ am MPI CEC, die sich auf fortschrittliche kohlenstoffbasierte Materialien für nachhaltige Energieanwendungen konzentriert, geleitet. Die Arbeit wurde in enger Zusammenarbeit mit der Abteilung für Anorganische Spektroskopie (Dr. Liqun Kang und Prof. Serena DeBeer) sowie mit anderen Mitgliedern des Instituts und Forscher*innen anderer Einrichtungen durchgeführt, die ihr Fachwissen in das Projekt einbrachten. Das gebündelte Fachwissen des multidisziplinären Forschungsteams war entscheidend für die Aufklärung des dynamischen Verhaltens von Einzelatomkatalysatoren (SACs) während der Wasseroxidation, was einen bedeutenden Fortschritt für das Verständnis der Katalysatorleistung darstellt.
Auswirkungen auf zukünftige Energieumwandlungstechnologien
Die Entdeckung dieser dynamischen aktiven Stellen ebnet den Weg für ein tieferes Verständnis des Verhaltens von SACs während katalytischer Reaktionen. Durch die genaue Lokalisierung der tatsächlichen aktiven Stellen eröffnet diese Forschung neue Möglichkeiten zur Optimierung des SAC-Designs, die das Potenzial haben, die Effizienz von Technologien zur Wasserspaltung erheblich zu verbessern. Dieser Durchbruch ist ein wichtiger Schritt in Richtung sauberer und nachhaltigerer Energieumwandlungsprozesse und unterstreicht die Bedeutung der Echtzeit-Strukturanalyse in der Katalysatorentwicklung.
Diese Studie, die kürzlich in der Angewandte Chemie International Edition als Open-Access-Artikel veröffentlicht wurde, definiert nicht nur das Verständnis von SACs bei der Wasseroxidation neu, sondern liefert auch eine Blaupause für zukünftige Fortschritte in der Elektrokatalyse.
Original Paper:
Wenchao Wan, Liqun Kang, Alexander Schnegg, Olaf Ruediger, Zongkun Chen, Christopher S. Allen, Longxiang Liu, Sonia Chabbra, Serena DeBeer, and Saskia Heumann (2025) Carbon-Supported Single Fe/Co/Ni Atom Catalysts for Water Oxidation: Unveiling the Dynamic Active Sites. Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202424629
https://doi.org/10.1002/anie.202424629
Wenchao Wan, Liqun Kang, Alexander Schnegg, Olaf Ruediger, Zongkun Chen, Christopher S. Allen, Longxiang Liu, Sonia Chabbra, Serena DeBeer, and Saskia Heumann (2025) Einatom-Fe/Co/Ni-Katalysatoren auf Kohlenstoffbasis für die Wasseroxidation: Aufklärung der dynamischen aktiven Stellen. Angew. Chem. 2025, e202424629