Neue Katalysatormaterialien auf Basis von Torf für Brennstoffzellen
Eisen-Stickstoff-Kohlenstoff-K
Platinkatalysatoren in Brennstoffzellen zu ersetzen. Dies zeigt eine
Studie aus Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), der Physikalisch-Technischen
Bundesanstalt (PTB) und der Universitäten in Tartu und Tallinn, Estland.
An BESSY II beobachtete das Team, wie sich komplexe Mikrostrukturen in den
Proben bilden. Anschließend analysierten sie, welche Strukturparameter für
die Förderung der bevorzugten elektrochemischen Reaktionen besonders
wichtig waren. Der Rohstoff für solche Katalysatoren ist gut zersetzter
Torf.
Brennstoffzellen wandeln die chemische Energie von Wasserstoff direkt in
elektrische Energie um und produzieren dabei nur Wasser. Brennstoffzellen
könnten ein wichtiger Baustein in einem klimaneutralen Energiesystems
werden. Das größte Verbesserungspotenzial liegt in der Kostensenkung durch
den Ersatz der Elektrokatalysatoren, die derzeit auf dem Edelmetall Platin
basieren.
Kohlenstoffbasierte Katalysatoren, die Eisen und Stickstoff enthalten,
sind dafür eine sehr interessante Option. Sie können in
Anionenaustauschmembran-Brenns
Kombination von Kohlenstoff, Stickstoff und Eisen findet sich
beispielsweise in gut zersetztem Torf aus Estland. Kohlenstoffbasierte
Materialien haben bemerkenswerte Eigenschaften, einige von ihnen sind
hochporös, sie besitzen Poren unterschiedlicher Größe, die miteinander
vernetzt sein können wie die Wege in einem Ameisenbau. Durch diese Gänge
können Wasserstoff- und Sauerstoffatome wandern, um die katalytisch
aktiven Stellen zu erreichen, an denen die gewünschten Reaktionen
stattfinden. Auch das Endprodukt, Wasser, wird auf diese Weise ebenfalls
abtransportiert. „Indem wir die hierarchischen Strukturen im
Katalysatormaterial verändern, also beispielsweise Größe und Dicke der
Porenwände, können wir Materialien mit sehr unterschiedlichen
Eigenschaften herstellen“, sagt Rutha Jäger, Erstautorin der Studie von
der Universität Tartu.
Eneli Härk, Elektrochemikerin und Expertin für Kleinwinkelstreuung am HZB,
umreißt die Forschungsfrage so: „Wir wollten verstehen, warum einer der
Fe-N-C-Elektrokatalysatoren so eine außergewöhnliche Effizienz und
Selektivität aufwies, vergleichbar mit der Leistung des besten
Nichtedelmetallkatalysators, während andere Fe-N-C-Proben nicht so gut
abschnitten.“ Mit Hilfe der Kleinwinkel-Röntgenstreuung an BESSY II
untersuchten sie die wichtigsten strukturellen Eigenschaften:
hierarchische Porosität, strukturelle Unordnung und den
Wechselwirkungsabstand zwischen aktiven Zentren innerhalb der Poren. „Die
Kleinwinkel-Röntgenstreuung liefert detaillierte und quantitative
Informationen über die Porenkrümmung und das Verhältnis zwischen
Porengröße und Porenwanddicke – Parameter, die mit anderen Methoden nur
schwer direkt zu messen sind“, erklärt Eneli Härk.
Anstatt sich auf Versuch und Irrtum zu verlassen, entwarf das Team eine
systematische Studie. Fünf Proben wurden gleichzeitig bei
unterschiedlichen Synthesetemperaturen von 800 bis 1000 °C synthetisiert,
um die Poren- und Porenwandstruktur systematisch zu variieren. Diese
Proben wurden zusammen mit einem handelsüblichen Katalysator an BESSY II
mittels anomaler Kleinwinkel-Röntgenstreuung (ASAXS) und konventioneller
SAXS charakterisiert, um ihre Porenstruktur und die Verteilung der aktiven
Zentren zu bestimmen. Anschließend wurden die Materialien als
Katalysatoren für die Sauerstoffreduktionsreaktion getestet, um einen
empirischen Zusammenhang zwischen den strukturellen Merkmalen und der
elektrochemischen Leistung herzustellen. Aus den Röntgenuntersuchungen
leitete das Team 13 Strukturparameter ab, die die katalytische Leistung
beeinflussen, darunter Porosität, Unordnung und Porenkrümmung.
„Die Kleinwinkelstreuung liefert uns sozusagen eine präzise Karte des
Ameisenhügels, während das elektrochemische Verhalten des Katalysators uns
zeigt, wie sich die „Ameisen“, also die Moleküle, darin bewegen“, erklärt
Eneli Härk. Ein Ergebnis ist, dass bei einer Porenkrümmung von mindestens
drei Nanometern die Reduktion von Sauerstoff zu Wasser am besten
funktioniert und auch die Bildung von problematischem Wasserstoffperoxid
minimiert wird.
„Wir wussten grundsätzlich, wie die Materialien elektrochemisch
funktionieren und dass die hierarchische Porosität des Materials wichtig
ist, aber warum eines davon besser funktioniert, blieb ein Rätsel. Jetzt
konnten wir jedoch endlich die strukturellen Nuancen aufdecken, die die
Reaktion fördern“, sagt Rutha Jäger. Da Fe-N-C aus gut zersetztem Torf
synthetisiert werden kann, ist das Material wirklich umweltfreundlich. Die
Ergebnisse zeigen einen Weg auf, der die Systemkosten senken und die
Nachhaltigkeit verbessern kann.
