Forschende haben einen vielversprechenden Weg gefunden, die teuren Platin-Katalysatoren in Brennstoffzellen zu ersetzen. Das Team aus dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und den Universitäten Tartu und Tallinn in Estland setzt dabei auf Eisen-Stickstoff-Kohlenstoff (Fe-N-C)-Materialien, die aus gut zersetztem Torf gewonnen werden.
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Wie Fe-N-C Brennstoffzellen nachhaltiger machen
Brennstoffzellen gelten als ein wichtiger Baustein für ein klimaneutrales Energiesystem. Sie wandeln die chemische Energie von Wasserstoff direkt in elektrische Energie um und erzeugen dabei lediglich Wasser als Nebenprodukt. Trotz ihrer Vorteile ist ihre weite Verbreitung noch durch die Kosten begrenzt. Der größte Posten sind dabei die Elektrokatalysatoren. Diese basieren derzeit zumeist auf dem Edelmetall Platin, das selten und somit teuer ist. Ingenieurinnen und Ingenieure suchen daher dringend nach Alternativen, um die Systemkosten zu senken.
Eine besonders vielversprechende Option sind kohlenstoffbasierte Katalysatoren, die Eisen und Stickstoff enthalten, die sogenannten Fe-N-C-Materialien. Man kann sie in sogenannten Anionenaustauschmembran-Brennstoffzellen einsetzen. Das Besondere: Die Kombination aus Kohlenstoff, Stickstoff und Eisen findet sich in einem nachhaltigen Rohstoff aus Estland, nämlich in gut zersetztem Torf.
Die „Ameisenbaustruktur“ und ihre Bedeutung
Kohlenstoffbasierte Materialien besitzen bemerkenswerte Eigenschaften. Viele von ihnen sind hochporös. Sie verfügen über Poren unterschiedlicher Größe, die miteinander vernetzt sind, ähnlich wie die Gänge in einem Ameisenbau.
Diese feinen Kanäle erlauben es Wasserstoff- und Sauerstoffatomen, zu den katalytisch aktiven Stellen zu wandern. Dort finden die chemischen Reaktionen statt, die Strom erzeugen. Auch das Endprodukt Wasser wird über diese Gänge abtransportiert. Rutha Jäger, Erstautorin der Studie von der Universität Tartu, erklärt dazu: „Indem wir die hierarchischen Strukturen im Katalysatormaterial verändern, also beispielsweise Größe und Dicke der Porenwände, können wir Materialien mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften herstellen.“
Der Blick ins Innere
Das internationale Forschungsteam sah sich mit einem grundlegenden Problem konfrontiert: Einige dieser Fe-N-C-Elektrokatalysatoren zeigten eine außergewöhnlich hohe Effizienz und Selektivität. Ihre Leistung war vergleichbar mit den besten Nichtedelmetallkatalysatoren. Andere, ähnlich zusammengesetzte Proben, schnitten deutlich schlechter ab.
Eneli Härk, Elektrochemikerin und Expertin für Kleinwinkelstreuung am HZB, fasst die Forschungsfrage so zusammen: „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.“
Um dieses Rätsel zu lösen, setzten die Forschenden auf eine systematische Untersuchung. Sie synthetisierten fünf Proben bei unterschiedlichen Temperaturen zwischen 800 und 1000 °C. So konnten sie die Struktur der Poren und Porenwände gezielt variieren.
Die Röntgen-Analyse am BESSY II
Die Analyse der Proben fand am Elektronenspeicherring BESSY II statt. Mithilfe der Kleinwinkel-Röntgenstreuung (SAXS) und der anomalen Kleinwinkel-Röntgenstreuung (ASAXS) konnten die Forschenden die entscheidenden strukturellen Merkmale erfassen. Dazu gehören die hierarchische Porosität, die strukturelle Unordnung und der Abstand zwischen den aktiven Zentren innerhalb der Poren.
Eneli Härk erläutert die Vorteile dieser Methode: „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.“
Aus den Röntgenmessungen konnten das Team 13 Strukturparameter ableiten. Diese beeinflussen die katalytische Leistung des Materials. Porosität, Unordnung und Porenkrümmung gehören dazu. Eneli Härk liefert ein anschauliches Bild für die Funktion der Methode: „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.“
Die optimale Porenkrümmung ist entscheidend
Anschließend testeten die Forschenden die Materialien als Katalysatoren für die Sauerstoffreduktionsreaktion. Das Ziel war es, einen direkten Zusammenhang zwischen den strukturellen Merkmalen und der elektrochemischen Leistung herzustellen.
Das Team fand heraus, dass eine ganz spezifische Eigenschaft für die optimale Funktion von großer Bedeutung ist: die Porenkrümmung. Bei einer Porenkrümmung von mindestens drei Nanometern funktioniert die Reduktion von Sauerstoff zu Wasser am besten. Gleichzeitig wird die Bildung von problematischem Wasserstoffperoxid minimiert. Wasserstoffperoxid ist ein unerwünschtes Nebenprodukt.
„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“, sagt Rutha Jäger. „Jetzt konnten wir jedoch endlich die strukturellen Nuancen aufdecken, die die Reaktion fördern.“
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