Grübchen graben auf der Nanoskala

Kohlenstoff als Schlüsselmaterial der elektrochemischen Energiewandlung

11.10.2012 - Deutschland

Wenn die Energiewende hin zu erneuerbaren Energien gelingen soll, braucht es leistungsstarke Stromspeicher. Denn Sonne und Wind liefern den Strom nicht immer dann, wenn er gebraucht wird. Kohlenstoff ist ein Schlüsselmaterial zur Verbesserung der Effizienz von Energiespeichern und -wandlern. Chemiker der RUB verändern seine Oberfläche in Zusammenarbeit mit ihren Industriepartnern zum Beispiel so, dass sie mehr Katalysatorpartikel tragen kann. Oder sie modifizieren den Kohlenstoff, um teure herkömmliche Katalysatoren wie Platin ganz zu ersetzen. Über ihre Arbeit berichten sie in RUBIN Transfer, der aktuellen Sonderausgabe des Wissenschaftsmagazins der Ruhr-Universität Bochum.

Nanoröhren vergrößern die Oberfläche

Graphit und Ruß sind unverzichtbar in Batterien und werden als Elektrodenmaterial oder leitfähige Zusatzstoffe im großen Maßstab in der Industrie verwendet. Ruß wird zudem als Standardträgermaterial für Katalysatoren wie Platin-Nanopartikel in Brennstoffzellen eingesetzt. Normalerweise besteht Ruß aus kugeligen Partikeln. Um die Oberfläche zu vergrößern, veränderte man die Form. Inzwischen arbeiten die Forscher mit mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren. Wegen der reaktionsträgen und
wasserabweisenden Eigenschaften von Ruß ist es allerdings notwendig, die Oberfläche der Röhrchen zu verändern, damit zum Beispiel Platinpartikel als Katalysator auf dem Trägermaterial Kohlenstoff "andocken" können. ´

Ätzung hilft Platinpartikeln beim Andocken

Um Kohlenstoffnanoröhren als Trägermaterial für Platinpartikel besser nutzbar zu machen, haben die RUB-Forscher eine lokalisierte Ätztechnik entwickelt, mit der sie Oberflächendefekte an vorbestimmten Stellen erzeugen können. Das Verfahren läuft in mehreren Schritten ab, wobei zuerst Eisenpartikel auf die Oberfläche aufgebracht werden. Sie sind Katalysator für die eigentliche Ätzung, bei der sie sich ins Material regelrecht hineinfressen. Durch eine Säurebehandlung werden sie schließlich wieder
entfernt. Damit das Verfahren noch effizienter wird, haben die Chemiker es weiter verfeinert. So setzen sie die Röhrchen zum Beispiel Säuredampf aus, anstatt der flüssigen Säure, und sparen sich so die Filterung, bei der viele Röhrchen verloren gehen.

Platin sparen bei gleicher Katalyseaktivität

Außerdem haben die RUB-Forscher Alternativen entwickelt, mit denen sich das teure Platin als Katalysator komplett einsparen lässt. Ein Beispiel ist Stickstoff-dotierter Kohlenstoff. Handelsüblicher Ruß und ein Spezialkunststoff waren die Ausgangsmaterialien. Sie werden gemischt und erhitzt - es entsteht ein unscheinbares Pulver. Seine katalytische Aktivität bei der Sauerstoffreduktionsreaktion ist ähnlich der von herkömmlichen Platinkatalysatoren.

https://www.chemie.de/news/140074/gruebchen-graben-auf-der-nanoskala.html