Neuartiger Katalysator mit zwei Funktionen
Hoffnung auf günstigere Metall-Luft-Batterien und Brennstoffzellen
Chemiker der Ruhr-Universität Bochum haben einen entscheidenden Schritt in Richtung kostengünstiger regenerativer Brennstoffzellen und wiederaufladbarer Metall-Luft-Batterien gemacht. Sie entwickelten einen neuartigen Katalysator auf Basis von Kohlenstoff, der zwei gegensätzliche Reaktionen fördern kann: die Elektrolyse von Wasser und die Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff. Ein solcher Katalysator könnte es ermöglichen, Wind- oder Solarenergie zu speichern und günstigere Batterien zum Beispiel für Elektroautos herzustellen. Das Team berichtet in der „International Edition“ der Zeitschrift „Angewandte Chemie“.
Katalysator mit Janus-Natur: Die neuartigen Katalysatoren, die die RUB-Chemiker entwickelten, können zwei gegensätzliche Reaktionen fördern: die Elektrolyse von Wasser und die Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff.
© RUB, Illustration: Masa
Von Elektrolyse auf Verbrennung umschalten
Die sogenannten bifunktionalen Katalysatoren können Wasser unter Zufuhr von Energie in Wasserstoff und Sauerstoff spalten – Elektrolyse genannt – und die Energie in den chemischen Bindungen des gebildeten Wasserstoffs speichern. Die gleichen Katalysatoren können auch zu einer Brennstoffzelle umgepolt werden; sie verbrennen Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser und erzeugen dabei Strom. Bislang nutzten Forscher für diese Zwecke Katalysatoren auf Basis von Edelmetallen. Diese haben jedoch den Nachteil, dass sie entweder gut für die Elektrolyse oder gut für die Verbrennung sind, jedoch nicht für beides.
Katalysatoren auf Kohlenstoffbasis
Die neuartigen Bochumer Katalysatoren bestehen aus Manganoxid- oder Cobaltoxid-Nanopartikeln, die in speziell modifiziertem Kohlenstoff eingeschlossen sind, in den die Forscher an bestimmten Positionen Stickstoffatome einbauten. Das Team um Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann und Prof. Dr. Martin Muhler von der Fakultät für Chemie und Biochemie untersuchte die Katalysatoren mit zahlreichen spektroskopischen und elektrochemischen Methoden. So bestimmten sie, welche Eigenschaften für die Bifunktionalität entscheidend sind.
„Bestechend einfach“ herzustellen
In einer vorangegangenen Publikation im „Journal of the American Chemical Society” hatten die Bochumer Forscher bereits eine weitere Technik beschrieben, um die bifunktionalen Kohlenstoffkatalysatoren herzustellen. Zu diesem Zweck „schnitten“ sie Nanoröhren aus Kohlenstoff mithilfe von Wärme und Sauerstoff auf und machten die darin eingeschlossenen Katalysatorpartikel nutzbar. „Die Methode ist bestechend einfach“, sagt Martin Muhler. Die Produktion wäre daher im Vergleich zu Katalysatoren auf Edelmetallbasis sehr günstig.
Originalveröffentlichung
A. Zhao, J. Masa, W. Xia, A. Maljusch, M.-G. Willinger, G. Clavel, K. Xie, R. Schlögl, W. Schuhmann, M. Muhler (2014): Spinel Mn-Co oxide in N-doped carbon nanotubes as a bifunctional electrocatalyst synthesized by oxidative cutting, Journal of the American Chemical Society
J. Masa, W. Xia, I. Sinev, A. Zhao, Z. Sun, S. Grützke, P. Weide, M. Muhler, W. Schuhmann (2014): MnxOy/NC and CoxOy/NC nanoparticles embedded in a nitrogen-doped carbon matrix for high-performance bifunctional oxygen electrodes, Angewandte Chemie International Edition
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