Ultrakleine Iridiumoxid-Nanopartikel: Neue Laserstrategie steigert Effizienz seltener Katalysatoren
7. Juli 2025 - Forschende haben ein laserbasiertes Verfahren entwickelt, mit dem sich ultrakleine, kristalline Iridiumoxid-Nanopartikel gezielt und bei Raumtemperatur herstellen lassen. Diese Partikel zeigen eine außergewöhnlich hohe Aktivität und Stabilität bei der Anodenreaktion in der PEM-Wasserelektrolyse. Der potentiell skalierbare Ansatz könnte helfen, knappe Katalysatormaterialien effizienter zu nutzen – ein wichtiger Schritt für die Wasserstoffwirtschaft der Zukunft.
Der Katalysator-Engpass: ein Kompromiss zwischen Stabilität und Aktivität
Die elektrochemische Erzeugung von Wasserstoff gilt als zentraler Baustein für eine klimafreundliche Energiezukunft. Besonders die Polymerelektrolytmembran-Wasserelektrolyse (PEMWE) bietet großes Potenzial: Sie ermöglicht hohe Stromdichten, eine schnelle dynamische Reaktion und effiziente Wasserstoffproduktion bei hohen Drücken. Allerdings hemmt die langsame Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) an der Anode die Effizienz – insbesondere unter den sauren Bedingungen der PEMWE. Der Einsatz geeigneter, stabiler Katalysatoren stellt daher eine zentrale Herausforderung dar
Kristallines Iridiumoxid (IrO₂) ist eines der wenigen Materialien, das unter den harschen Bedingungen der PEMWE stabil bleibt. Aufgrund seiner geringen natürlichen Verfügbarkeit und begrenzten Aktivität ist jedoch eine effizientere Atomausnutzung erforderlich. Herkömmliche Nachbearbeitungsverfahren bei hohen Temperaturen führen zur Bildung der stabilen Rutilphase, begünstigen jedoch auch das Wachstum größerer Partikel – was wiederum die katalytisch aktive Oberfläche und damit die Leistung verringert.
Innovativer Ansatz: Laserinduziertes Nanoofenverfahren
Ein Forschungsteam von HI ERN, FAU und TUM hat ein neuartiges laserinduziertes Verfahren entwickelt, das die Synthese ultrakleiner, kristalliner Iridiumoxid-Nanopartikel ermöglicht. Dabei dient eine Siliziumdioxidmatrix als nanoskalige Reaktionsumgebung, die unerwünschte Agglomeration verhindert und eine präzise Kontrolle der Partikelgröße erlaubt. Das Ergebnis sind IrO₂-Nanopartikel mit einem Durchmesser von nur etwa zwei Nanometern in stabiler Rutilstruktur.
Die so hergestellten Nanopartikel erreichen eine Massenaktivität von 350 ± 15 A gIr⁻¹ bei einer Überspannung von 300 mV – ein Wert, der die Aktivität herkömmlichen Rutheniumoxids übertrifft und mit den besten RuO₂-basierten Katalysatoren konkurriert. Parallel zeigt die Analyse per Echtzeit-ICP-MS in einer Kanalflusszelle, dass das lasergefertigte IrO₂ eine deutlich höhere Stabilität aufweist als kommerziell erhältliches Iridiumoxid.
Die Ergebnisse der gemeinsamen Arbeit wurden kürzlich im angesehenen Journal Angewandte Chemie veröffentlicht und haben weitreichende Relevanz für Forschung und Anwendung. Sie zeigen nicht nur eine vielversprechende Strategie zur gezielten Verbesserung von Katalysatoren für die Wasserstoffwirtschaft. Sie liefern darüber hinaus einen skalierbaren Ansatz zur Herstellung ultrakleiner, kristalliner Metalloxide unter milden Bedingungen – mit potenziellen Anwendungen weit über die elektrochemische Wasserstofferzeugung hinaus. Die Ergebnisse tragen somit sowohl zum technologischen Fortschritt in der Energiewende als auch zum besseren Verständnis nanoskaliger Materialprozesse bei.
Originalpublikation
Laser-Induced Nanoscale Engineering of Iridium-Based Nanoparticles for High-Performance Oxygen Evolution
H. Wang, P. Pfeifer, W. Lai, A. Göpfert, S. Lim, W. Zhao, A. L. Morales, M. Goßler, M. Malinovic, P. Bhuyan, W. A. Parada, P. Nikolaienko, K. J. J. Mayrhofer, G. V. Fortunato, A. Hutzler, M. Ledendecker, Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202508589.
https://doi.org/10.1002/anie.202508589
