Durchbruch bei der Sauerstoffreduktionsreaktion: Direkte Kontrolle des Elektronenspins an intrinsisch chiralen Oberflächen
In einer revolutionären Studie, die in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht wurde, haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Chemische Physik fester Stoffe einen neuen Katalysator vorgestellt, der die Effizienz der Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR), die für Energieumwandlungssysteme wie Brennstoffzellen und Metall-Luft-Batterien entscheidend ist, erheblich verbessert.
Die Studie mit dem Titel „Direct Control of Electron Spin at an Intrinsically Chiral Surface for Highly Efficient Oxygen Reduction Reaction“ (Direkte Kontrolle des Elektronenspins an einer intrinsisch chiralen Oberfläche für eine hocheffiziente Sauerstoffreduktionsreaktion) stellt die Verwendung von topologischen homochiralen PdGa-Kristallen (TH PdGa) vor. Diese Kristalle weisen eine intrinsische Chiralität an den katalytischen Oberflächen auf, die nachweislich eine mehr als 100-mal höhere kinetische Stromdichte als herkömmliches achirales PdGa bei 0,85 V gegenüber der reversiblen Wasserstoff-Elektrode ermöglicht.
„Die Fähigkeit, den Elektronenspin direkt an diesen chiralen Oberflächen zu kontrollieren, eröffnet neue Möglichkeiten für das Design und die Entwicklung hocheffizienter katalytischer Systeme“, sagte Prof. Claudia Felser, eine der leitenden Forscherinnen in diesem Projekt. „Unsere Erkenntnisse könnten zu nachhaltigeren und effizienteren Energieumwandlungstechnologien führen, die für den Kampf gegen den Klimawandel von entscheidender Bedeutung sind.“
Das Forscherteam zeigte, dass die strukturelle Chiralität und die Spin-Bahn-Kopplung der Schlüssel zur Erzeugung der Spinpolarisation an den chiralen Oberflächen von TH PdGa sind. Diese Polarisierung verbessert die Kinetik der ORR, eines in Energiesystemen kritischen Prozesses, indem sie den für die Effizienz der Reaktion erforderlichen Elektronentransfer erleichtert.
„Unsere Studie bietet nicht nur einen Weg zur Verbesserung der ORR-Aktivität durch intrinsische chirale Katalysatoren, sondern legt auch den Grundstein für künftige Erkundungen der spinabhängigen Katalyse“, fügte Xia Wang, eine weitere Hauptautorin der Studie, hinzu.
Dieser Durchbruch könnte die Entwicklung künftiger Energiesysteme erheblich beeinflussen und sie effektiver und umweltfreundlicher machen.
