Katalysator mit Selbstverteidigung gegen schädlichen Sauerstoff
So könnten günstige und effiziente Brennstoffzellen möglich werden
Schon Spuren von Sauerstoff können molekularen Katalysatoren in Brennstoffzellen den Garaus machen. Daher sind diese der Natur nachempfundenen Katalysatorsysteme, die hocheffizient und kostengünstig sind, bisher kaum anwendbar. Einem Forscherteam der Ruhr-Universität Bochum (RUB) ist es in Zusammenarbeit mit Forschern des Max-Planck-Instituts für Energiekonversion in Mülheim und einer Gruppe des Pacific Northwest National Laboratory in Washington, USA, gelungen, einen solchen Katalysator mit einem Selbstverteidigungsmechanismus gegen Sauerstoff auszustatten.
Die Messzelle im Labor des RUB-Teams, im Hintergrund arbeitet Mitautor Adrian Ruff.
© RUB, Marquard
Alternative für teure Materialien
Wasserstoff gilt als einer der vielversprechendsten alternativen Energieträger zur zukünftigen Energiegewinnung. Um ihn effizient nutzen zu können, etwa in mit Wasserstoff und Sauerstoff betriebenen Brennstoffzellen, werden heute vorwiegend auf Edelmetallen wie Platin basierende Katalysatoren eingesetzt, die aber nur begrenzt verfügbar und entsprechend kostspielig sind.
Eine vielversprechende Alternative sind molekulare Katalysatorsysteme, die der Natur nachempfunden sind: Bestimmte Enzyme, die Hydrogenasen, enthalten in ihrem aktiven Zentrum reichlich vorhandene und kostengünstige Metalle wie Nickel und/oder Eisen. Die Struktur molekularer Katalysatorsysteme ist dem aktiven Zentrum der Hydrogenasen angepasst.
Sauerstoff bedroht den Katalysator
Unter diesen molekularen Katalysatoren stechen vor allem die sogenannten DuBois-Katalysatoren heraus, deren aktiver Kern aus einem speziell koordinierten Nickel-Zentralatom besteht: Sie weisen sehr hohe Aktivitäten für die Wasserstoffoxidation auf, und ihre molekulare Struktur lässt sich so anpassen, dass sie in wässrigen Systemen eingesetzt und sogar direkt an Elektroden angebunden werden können. „Letzteres ist vor allem für die Anwendung interessant, da die Immobilisierung solcher Katalysatoren auf der Oberfläche einer Brennstoffzellenelektrode deren Leistung deutlich erhöht“, erklärt Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann vom RUB-Lehrstuhl für Analytische Chemie.
Nachteil solcher Katalysatoren ist, dass sie sehr empfindlich gegenüber Sauerstoff sind, weswegen man sie in technologisch relevanten Anwendungen bisher kaum einsetzen kann. Ebenfalls sauerstoffempfindliche biologische Hydrogenasen konnten Forscher bereits mit speziell entwickelten Polymeren vor Sauerstoff schützen. Die Polymere erlaubten es, den schädlichen Sauerstoff zu reduzieren, bevor dieser das immobilisierte Enzym irreversibel schädigen konnte. Das ist dem Forscherteam nun auch mit DuBois-Katalysatoren gelungen.
Ein Polymer als Schutzschicht
Dabei setzten sie ein wasserabweisendes Polymer, das an der RUB entwickelt wurde, als Immobilisierungsmatrix für den Nickel-Komplex-Katalysator ein. Das erlaubt es, zwei voneinander getrennte Reaktionszonen auf der Elektrodenoberfläche aufzubauen, die zum einen die hocheffiziente Oxidation von Wasserstoff im Inneren direkt auf der Elektrodenoberfläche erlaubt, und zum anderen einen Schutz gegenüber Sauerstoff an der äußeren Grenze zwischen Polymer und dem Elektrolyten in der Brennstoffzelle bereitstellt.
Keine Elektronen verschwenden
„Das Besondere daran ist, dass der Katalysator selbst den Schutzmechanismus bereitstellt und Sauerstoff mit Elektronen, die aus der Wasserstoffoxidation gewonnen werden, direkt an der äußeren Polymerschicht reduziert und somit unschädlich macht“, erklärt Wolfgang Schuhmann. Dieser Prozess ist möglich, da das verwendete Polymer einen direkten Kontakt der in der äußeren Schicht befindlichen Nickel-Katalysatoren mit der Elektrode unterbindet. Somit können alle Elektronen für den Schutz gegen Sauerstoff eingesetzt werden.
Umgekehrt verhindert das Polymer, dass die innere wasserstoffoxidierende Schicht Elektronen an die Schutzschicht abgibt und somit die gewonnenen Elektronen aus der Wasserstoffoxidation an die Sauerstoffreduktion verschwendet werden.
Die so aufgebauten Elektroden zeigten eine exzellente Langzeitstabilität und für Brennstoffzellen erwünschte hohe Stromdichten und stellen somit eine echte Alternative für den Aufbau von nachhaltigen, stabilen und kostengünstigen Energieumwandlungssystemen dar.
Originalveröffentlichung
Alaa A. Oughli, Adrian Ruff, Nilusha Priyadarshani Boralugodage, Patricia Rodríguez-Maciá, Nicolas Plumeré, Wolfgang Lubitz, Wendy J. Shaw, Wolfgang Schuhmann, Olaf Rüdiger; "Dual properties of a hydrogen oxidation Ni-catalyst entrapped within a polymer promote self-defense against oxygen"; Nature Communications; 2018
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