LaNiO₃ – ein perowskitartiges Nickelat mit metallischer Leitfähigkeit– ist ein vielversprechendes Material in einer Vielzahl von katalytischen Prozessen, darunter die Methan-Aktivierung zu Wasserstoff und Kohlenstoff, Oxidationsreaktionen oder als Elektrokatalysator für Sauerstoffreaktionen. Seine katalytischen Eigenschaften werden dabei entscheidend durch die Reaktivität des Gittersauerstoffs bestimmt. Doch bisher war unklar, wie genau sich seine strukturelle Dynamik während schneller Reduktionsprozesse auf die Leitfähigkeit auswirkt. Wissenschaftler:innen um Arbeitsgruppen-Leiter Simon Penner und Bernhard Klötzer am Institut für Physikalische Chemie wollten deshalb herausfinden, ob und wie sich Änderungen in der Struktur von LaNiO₃ während einer Reduktionsbehandlung durch Wasserstoff (H₂) in der Impedanz-Spektroskopie abbilden lassen. „Unser Ziel war es, eine in situ-Methode zu entwickeln, die Strukturveränderung und elektrisches Verhalten koppelt“, erklärt Simon Penner. Bei der Impedanzspektroskopie handelt es sich um ein Messverfahren, das entwickelt wurde, um zu messen, wie der Wechselstromwiderstand eines Materials oder eines elektrochemischen Systems auf Anregung mit unterschiedlichen Frequenzen reagiert.
Besseres Materialverständnis
In ihrer Studie konnten die Wissenschaftler nun zeigen, wie diese Veränderungen in Echtzeit („in situ“) über Impedanzmessungen sichtbar werden und konnten sehen, dass bereits kleinste strukturelle Veränderungen – etwa Sauerstoffverlust oder erste Schritte einer Phasenumwandlung – unmittelbar in den elektrischen Eigenschaften des untersuchten Materials erkennbar sind. „Die Impedanzspektroskopie dient dabei als besonders empfindlicher ´Frühwarnsensor´, erklärt Penner. „Dass wir die strukturellen Veränderungen eines funktionalen Oxids nun während des Reduktionsprozesses beobachten können, ist ein großer methodischer Durchbruch. Das erlaubt uns, die Dynamik des Materials wesentlich besser zu verstehen.“
Die Wissenschaftler:innen veröffentlichten ihre Studie im Journal of the American Chemical Society: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c16809