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Two cobalt oxide particles on a carbon nanoelectrode © T. Quast, RUB

Catalytic activity of individual cobalt oxide nanoparticles determined

Angew. Chem.: Analyzing nanoparticles individually is a challenge precisely because they are so small. A new technique using electron microscopy and a robotic arm could make the process much easier.

Precious metal-free nanoparticles could serve as powerful catalysts in the future, for example for hydrogen production. To optimize them, researchers must be able to analyze the properties of individual particles. A new method for this has been suggested by a team from the Center for Electrochemistry at RUB and the Institute of Inorganic Chemistry at the University of Duisburg-Essen (UDE). The group developed a method using a robotic arm that allows them to select individual particles under an electron microscope and place them on a nanoelectrode for electrochemical analysis. The method is described in the journal Angewandte Chemie, published online in advance 19 November 2020.

Important for finding optimal catalysts

For the studies, the scientists used hexagon-shaped particles of cobalt oxide. The particles catalyzed the so-called oxygen evolution reaction. During the electrolysis of water, hydrogen and oxygen are formed, with the limiting step in this process currently being the partial reaction in which the oxygen is formed. More efficient catalysts for the oxygen evolution reaction would simplify the efficiency for electrochemical water splitting under formation of hydrogen. Nanoparticle catalysts are supposed to help with this. Since their catalytic activity often depends on their size or shape, it is important to understand the properties of individual particles in order to find the optimal catalysts.

“We believe that by applying the proposed methodology, single particle analysis of catalyst materials has finally reached the point of reliable and comparatively simple sample preparation and characterization, which are crucial for establishing structure-function relationships,” the authors write in conclusion.

 

ADDITIONAL INFORMATION

Press Release

Original Publication: Thomas Quast, Harshitha Barike Aiyappa, Sascha Saddeler, Patrick Wilde, Yen-Ting Chen, Stephan Schulz, Wolfgang Schuhmann: Single entity electrocatalysis of individual ‘picked?and?dropped’ Co3O4 nanoparticles on the tip of a carbon nanoelectrode, in: Angewandte Chemie International Edition, 2020, DOI: 10.1002/anie.202014384

 

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Katalytische Aktivität einzelner Kobaltoxid-Nanopartikel bestimmt

Angew.Chem.:Nanopartikel einzeln zu analysieren ist eine Herausforderung, eben weil sie so klein sind. Eine neue Technik mit Elektronenmikroskopie und Roboterarm könnte das Verfahren erheblich erleichtern.

Edelmetallfreie Nanopartikel könnten künftig als leistungsfähige Katalysatoren dienen, zum Beispiel für die Wasserstoffherstellung. Um sie zu optimieren, müssen Forscherinnen und Forscher die Eigenschaften einzelner Partikel analysieren können. Ein neues Verfahren dafür hat ein Team vom Zentrum für Elektrochemie der RUB und vom Institut für Anorganische Chemie der Universität Duisburg-Essen (UDE) vorgestellt. Die Gruppe entwickelte eine Methode, bei der mit einem Roboterarm einzelne Partikel unter einem Elektronenmikroskop ausgewählt und zur elektrochemischen Analyse auf eine Nanoelektrode aufgebracht werden. Das Verfahren ist in der Zeitschrift Angewandte Chemie beschrieben, online vorab veröffentlicht am 19. November 2020.

Wichtig für die Suche nach optimalen Katalysatoren

Für die Untersuchungen nutzten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sechseckige Partikel aus Kobaltoxid. Die Partikel katalysierten die sogenannte Sauerstoffentwicklungsreaktion. Bei der Elektrolyse von Wasser werden Wasserstoff und Sauerstoff gebildet, wobei der limitierende Schritt in diesem Prozess derzeit die Teilreaktion ist, in der der Sauerstoff entsteht; effizientere Katalysatoren für diese Sauerstoffentwicklungsreaktion würden die Gewinnung von Wasserstoff vereinfachen. Nanopartikel könnten dabei helfen. Da ihre katalytische Aktivität oft von ihrer Größe oder Form abhängt, ist es wichtig, die Eigenschaften einzelner Partikel zu verstehen, um die optimalen Katalysatoren zu finden.

„Wir gehen davon aus, dass durch Anwendung der vorgeschlagenen Methodik die Einzelpartikelanalyse von Katalysatormaterialien endlich an den Punkt einer zuverlässigen und vergleichsweise einfachen Probenpräparation und -charakterisierung gelangt ist, die entscheidend für die Herstellung von Struktur-Funktions-Beziehungen sind“, schreiben die Autoren als Fazit.

 

ZUSÄTZLICHE INFORMATIONEN

Ausführliche Pressemitteilung

Originalveröffentlichung: Thomas Quast, Harshitha Barike Aiyappa, Sascha Saddeler, Patrick Wilde, Yen-Ting Chen, Stephan Schulz, Wolfgang Schuhmann: Single entity electrocatalysis of individual ‘picked?and?dropped’ Co3O4 nanoparticles on the tip of a carbon nanoelectrode, in: Angewandte Chemie International Edition, 2020, DOI: 10.1002/anie.202014384 

 

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