Durch die erstmalige Kombination von kryogener Transmissionselektronentomographie und Deep Learning haben Wissenschaftler der EPFL ein erstes Bild der Nanostruktur von katalytischen Platinschichten geliefert. Diese Entdeckung verdeutlicht, wie diese Schichten optimiert werden könnten, um effizientere Brennstoffzellen zu erhalten.
Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC), die für den Einsatz in Elektrofahrzeugen entwickelt werden, sind auf Nanopartikel angewiesen, die als Katalysatoren bezeichnet werden, um Reaktionen zwischen Wasserstoff und Sauerstoff auszulösen, die Strom erzeugen könnten. Der Großteil der PEMFC-Katalysatoren enthält Platin, das ein seltenes und wertvolles Metall ist. Es besteht also dringender Bedarf an der Entwicklung von Katalysatoren, die möglichst viel Energie erzeugen und gleichzeitig den Platingehalt minimieren können.
Die Hersteller integrieren diese Katalysatoren in komplexe Baugruppen, die als katalytische Schichten bezeichnet werden. Bisher mussten sie dies tun, ohne sich auf ein detailliertes Bild der erhaltenen Struktur stützen zu können, da herkömmliche Bildgebungsverfahren fast immer einen gewissen Grad an Beschädigung mit sich bringen.
Vasiliki Tileli, Leiterin des Labors für die in-situ-Charakterisierung von Nanomaterialien durch Elektronen an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Technik, hat einen Weg gefunden, um dieses Problem zu lösen. Durch die Abbildung von Katalysatoren und ihrer Umgebung bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt mittels kryogener Transmissionselektronentomographie und die Verarbeitung der Bilder mithilfe von Deep Learning gelang es ihr und ihren Kollegen, erstmals die Struktur von Katalysatorschichten im Nanometerbereich aufzudecken.
"Wir sind noch weit entfernt von PEMFCs ohne Platin, das ein sehr teures Metall ist. Kurzfristig müssen wir den Platingehalt reduzieren, um diese Technologie für die Massenproduktion tauglich zu machen. Es ist daher zwingend notwendig, zu verstehen, wie sich Platin im Vergleich zu anderen Materialien in der Katalysatorschicht verhält, um die Kontaktfläche zu vergrößern, die für die Durchführung chemischer Reaktionen erforderlich ist", erklärt Vasiliki Tileli.
"Deshalb ist die dreidimensionale Abbildung dieser Katalysatoren eine echte Leistung. Zuvor war es unmöglich, den richtigen Kontrast zwischen den einzelnen Bestandteilen der Katalysatorschicht zu erzielen."
Diese Arbeit wurde kürzlich in der Zeitschrift Nature Catalysis veröffentlicht.
Bessere Aufbewahrung und höhere Auflösung
Bei der herkömmlichen elektronenmikroskopischen Bildgebung werden die empfindlichen Proben der Katalysatorschichten häufig von den Elektronenstrahlen beschädigt, was zu einer Schrumpfung oder Verformung des Materials führt. Indem Vasiliki Tileli und sein Team die Bildgebung in situ bei kryogenen Temperaturen durchführten, konnten sie den Großteil der Morphologie der Katalysatorschicht erhalten. Anschließend verwendeten die Wissenschaftler einen Algorithmus für maschinelles Lernen, um die Bilder genauer zu debuggen und zu klassifizieren, wodurch sie eine bisher unerreichte Bildauflösung erreichten.
Vor allem aber konnten die Forscherinnen und Forscher die heterogene Dicke einer porösen Polymerschicht auf den Katalysatoren nachweisen, die als Ionomer bezeichnet wird. Die Dicke des Ionomers hat einen großen Einfluss auf die Leistung von Platinkatalysatoren.
"Das Ionomer muss eine gewisse Dicke aufweisen, damit die katalytischen Reaktionen effizient ablaufen können. Da es uns gelungen ist, die katalytischen Schichten vollständig zu rekonstruieren und dabei die Schäden an der Struktur zu begrenzen, konnten wir zum ersten Mal zeigen, wie viel Platin mit Ionomer bedeckt ist und wie dick diese Bedeckung ist", sagt Vasiliki Tileli.
Diese Daten könnten eine Goldgrube für Katalysatorhersteller darstellen, die sie nutzen könnten, um Katalysatoren herzustellen, die mehr Platinpartikel enthalten, die mit der richtigen Menge Ionomer beschichtet sind, und somit eine optimale Leistung bieten.
"Der kryogene Aspekt ist das Schlüsselelement dieser Studie. Ionomere sind ähnlich wie Proteine: Sie sind weich und benötigen Gefrierbedingungen, um ihre Struktur zu stabilisieren und zu schützen", betont Vasiliki Tileli.
"Diese ausgefeilte Technik wird nicht nur nützlich sein, um die Massenfertigung von PEMFCs durch eine optimierte Verwendung von Platin zu erleichtern, sondern auch für viele verschiedene Anwendungen in den Bereichen Materialwissenschaft und Energie, z. B. Batteriespeicherung, Wasserelektrolyse und Energieumwandlungssysteme im Allgemeinen."
Referenzen
Girod, R., Lazaridis, T., Gasteiger, H.A. et al. Three-dimensional nanoimaging of fuel cell catalyst layers. Nat Catal (2023). https://doi.org/10.1038/s41929’023 -00947-y
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