Blick unter die Oberfläche – strukturelle Defekte als Ansatz für langlebige Katalysatoren
Blick unter die Oberfläche – strukturelle Defekte als Ansatz für langlebige Katalysatoren
25. November 2025
Wie entstehen Katalysatoren und warum verlieren sie im Laufe der Zeit an Wirkung? Eine internationale Gruppe von Forschenden des Forschungszentrums Jülich, der Universität Stuttgart, des Karlsruher Instituts für Technologie und weiterer Partner ist diesen Fragen auf atomarer Ebene nachgegangen. Mithilfe modernster In-situ-Elektronenmikroskopie konnten sie direkt verfolgen, wie sich Metallnanopartikel bilden, entwickeln und stabilisieren lassen.
Mit atomar aufgelösten Dunkelfeld- und Sekundärelektronenaufnahmen stellten sie zudem einen Zusammenhang zwischen der Stabilität der aktiven Zentren und lokalen Unregelmäßigkeiten im Trägermaterial her.
Wissenschaftliche Ergebnisse
Katalysatoren sind entscheidend für viele Anwendungen – etwa für Brennstoffzellen oder die Herstellung von grünem Wasserstoff. Eine vielversprechende neue Klasse, sogenannte „Metal-Exsolution-Katalysatoren“, zeigt dabei besonders gute Leistungen, verliert aber über die Zeit an Stabilität. Die in Nature Communications und Advanced Materials veröffentlichten Studien liefern nun neue Einblicke in die Ursachen dieser Alterungsprozesse. Sie zeigen, dass bestimmte Kristalldefekte als Verankerungspunkte dienen können, an denen Nanopartikel festgehalten werden. Dadurch wird verhindert, dass die Partikel wandern oder sich zusammenschließen – ein moeglicher Schritt hin zu langlebigeren Katalysatoren.
Durch die Kombination oberflächen- und subsurfacesensitiver Bildgebungsverfahren lassen sich Nanopartikel eindeutig der Struktur des Trägermaterials zuordnen. Die gezeigten Aufnahmen entstanden bei 500 °C. Copyright: Forschungszentrum Jülich
Die Ergebnisse markieren einen wichtigen Fortschritt im Verständnis, wie sich Atome in solchen Materialien bewegen. Das Team entwickelte dafür Modellkatalysatoren mit sehr präzise einstellbaren Strukturen und kombinierte moderne Methoden der Oxidsynthese mit hochauflösender Elektronenmikroskopie – ein Beleg für die Materialexpertise der beteiligten Jülicher Institute und ihrer Partner.
Die erste Studie in Nature Communications nutzte ein „Environmental Scanning Transmission Electron Microscope“, eine spezielle Variante eines Rasterelektronenmikroskops, um das Anwachsen von Nanopartikeln (Vergröberung) bei Temperaturen von bis zu 700 °C sichtbar zu zu machen. Durch das Zusammenspiel oberflächenempfindlicher Sekundärelektronenaufnahmen und Dunkelfeldaufnahmen (High Angle Annular Dark Field), die Informationen über das Innere des Kristallgitters liefern, konnten die Forschenden Nanopartikel direkt mit der atomaren Struktur des Trägers in Beziehung setzen. Sie zeigten, dass tieferliegende Defekte die Bewegung der Partikel bremsen und dadurch zur Stabilität beitragen. Hinzu kam die direkte Beobachtung von sogenannten Ostwald-Reifungsprozessen auf atomarer Ebene.
Beispiel einer Aufnahme, die einen durch Exsolution synthetisierter Nanopartikel direkt oberhalb einer gezielt erzeugten Versetzung im Kristallgitter zeigt. Copyright: Forschungszentrum Jülich
In der zweiten Studie in Advanced Materials führte das Team gezielt Versetzungen in exsolutionsaktiven Oxiden ein, indem dünne Filme auf zuvor plastisch verformten Substraten abgeschieden wurden. Diese Versetzungen dienten als bevorzugte Ausgangspunkte für die Bildung von Nanopartikeln. Die Partikel bildeten sich tatsächlich direkt über den Versetzungen – ein klarer Hinweis darauf, dass solche Strukturelemente bewusst genutzt werden können, um stabilere Nanopartikel zu erzeugen. Dieser Ansatz könnte dazu beitragen, katalytische Eigenschaften durch das gezielte Einbringen von Kristalldefekten besser zu steuern.
Gesellschaftliche und wissenschaftliche Relevanz
Die Ergebnisse sind sowohl für die Grundlagenforschung als auch für Anwendungen im Bereich erneuerbarer Energien von Bedeutung. Besonders in der Wasserstoffproduktion könnten langlebigere Katalysatoren große wirtschaftliche Vorteile erbringen. Die neuen Erkenntnisse zeigen, dass sich strukturelle Defekte gezielt einsetzen lassen, um Nanopartikel zu stabilisieren – ein vielversprechender Weg hin zu robusteren und effizienteren Katalysatoren.
Weitere Details
Die Arbeiten entstanden in Zusammenarbeit mehrerer Institute am Forschungszentrum Jülich, darunter das Ernst Ruska-Centrum für Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen (ER-C-2), das Peter Grünberg Institut (PGI-7) und das Institut für Energiematerialien und -geräte (IMD-2). Initiiert wurden die beiden Studien am Forschungszentrum Jülich durch die Erstautoren Dr. Dylan Jennings und Dr. Moritz L. Weber. Enge Kooperationen bestanden mit Prof. Xufei Fang vom Karlsruher Institut für Technologie und Dr. Moritz Kindelmann vom Forschungszentrum Jülich. Weitere Beiträge kamen von Autorinnen und Autoren des Institute of Energy Technologies (IET-3), der Universität Stuttgart und der Colorado School of Mines (USA).
Die Projekte waren stark interdisziplinär geprägt und kombinierten Expertise aus Festkörperphysik, Katalyse und Materialwissenschaft. Die Veröffentlichungen in Nature Communications und Advanced Materials leisten damit einen zentralen Beitrag zum besseren Verständnis und zur Kontrolle der Alterungsmechanismen katalytischer Materialien.
Originalpublikationen
D. Jennings, M.L. Weber, A. Meise, T. Binninger, C.J. Price, M. Kindelmann, I. Reimanis, H. Matsumoto, P. Cao, R. Dittmann, P.M. Kowalski, M. Heggen, O. Guillon, J. Mayer, F. Gunkel, W. Rheinheimer Direct atomic-scale investigation of the coarsening mechanisms of exsolved catalytic Ni nanoparticles Nat. Commun. (2025), DOI: 10.1038/s41467-025-61971-z
M.L. Weber, M. Kindelmann, D. Jennings, J. Hölschke, R. Dittmann, J. Mayer, W. Rheinheimer, X. Fang, F. Gunkel Atomic-Scale Insights into Nanoparticle Exsolution at Dislocations in Dislocation-Engineered Catalysts Adv. Mater. (2025), DOI: 10.1002/adma.202502362
