14.03.2018, 12:59 Uhr

Brennstoffzelle: Katalysator macht Sauerstoff unschädlich


© RUB

Bochum - Für den Betrieb von Brennstoffzellen werden bislang vor allem Katalysatoren auf Edelmetallbasis verwendet. Forscher der Ruhr-Uni-Bochum (RUB) haben bei der Entwicklung kostengünstiger Alternativen einen Meilenstein erreicht.

Um Wasserstoff effizient in Brennstoffzellen nutzen zu können werden Katalysatoren benötigt. Da sie Edelmetalle wie Platin enthalten, sind sie bislang jedoch entsprechend teuer. Eine deutlich günstigere Option stellen molekulare Katalysatoren dar, die allerdings recht anfällig sind.

Sauerstoff bedroht den Katalysator

Schon Spuren von Sauerstoff können molekularen Katalysatoren in Brennstoffzellen unbrauchbar machen. Daher sind diese hocheffizienten und kostengünstigen, der Natur nachempfundenen Katalysatorsysteme bisher kaum anwendbar. Einem Forscherteam der RUB ist es zusammen 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. Über ihre Arbeit berichten sie in der wissenschaftlichen Fachzeitschrift Nature Communications (Ausgabe v 28. Februar 2018).

Molekulare Katalysatoren beschleunigen Wasserstoffoxidation

Molekulare Katalysatorsysteme sind der Natur nachempfunden und arbeiten mit Hilfe von Enzymen, d.h. Stoffen, die chemische Reaktionen beschleunigen. 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.

Ein Polymer als Schutzschicht

Nachteil der DuBois-Katalysatoren ist, dass sie sehr empfindlich gegenüber Sauerstoff sind. Deswegen konnten sie in technologisch relevanten Anwendungen bisher kaum eingesetzt werden. Dem Forscherteam der RUB ist es nun gelungen, die Enzyme in DuBois-Katalysatoren durch ein an der RUB entwickeltes, wasserabweisendes Polymer, zu schützen. Dabei wird das Polymer als Immobilisierungsmatrix für den Nickel-Komplex-Katalysator eingesetzt. 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.

Elektroden mit hervorragender Langzeitstabilität und hoher Stromdichte

Die so aufgebauten Elektroden zeigten nach Angaben der Uni Bochum eine exzellente Langzeitstabilität und die für Brennstoffzellen erwünschte hohe Stromdichten und stellen somit aus Sicht der Forscher eine echte Alternative für den Aufbau von nachhaltigen, stabilen und kostengünstigen Energieumwandlungssystemen dar.

Quelle: IWR Online

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