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27.03.2018 | Brennstoffzelle | Nachricht | Onlineartikel

Fortschritte beim molekularen Brennstoffzellen-Katalysator

Autor:
Patrick Schäfer

Molekulare Katalysatorsysteme könnten zur Produktion günstiger und effizienter Brennstoffzellen führen. Allerdings reagieren sie empfindlich auf Sauerstoff. Forscher haben dieses Problem im Labor zumindest gelöst.

Bislang gelten die der Natur nachempfundenen Katalysatorsysteme als kaum anwendbar. Sie arbeiten mit Enzymen (Hydrogenasen), in deren aktivem Zentrum Metalle wie Nickel und Eisen enthalten ist. Damit stellen sie eine Alternative zu den aktuell genutzten Katalysatoren dar, die mit Edelmetallen wie Platin arbeiten. Sie hatten bislang jedoch den Nachteil, dass sie hochempfindlich auf Sauerstoff reagieren.

Ein Forscherteam der Ruhr-Universität Bochum (RUB) hat nun in Zusammenarbeit mit Forschern des Max-Planck-Instituts für Energiekonversion in Mülheim und einer Gruppe des Pacific Northwest National Laboratory in Washington, USA, einen molekularen Katalysator für Brennstoffzellen entwickelt, der über einen Selbstverteidigungsmechanismus gegen Sauerstoff verfügt. Beim sogenannten DuBois-Katalysator besteht der aktive Kern aus einem speziell koordinierten Nickel-Zentralatom. Er weist sehr hohe Aktivitäten für die Wasserstoffoxidation auf, und seine molekulare Struktur lässt sich so anpassen, dass er in wässrigen Systemen eingesetzt und sogar direkt an Elektroden angebunden werden kann. Dessen sauerstoffempfindliche biologische Hydrogenase schützten die Forscher mit einem speziellen Polymer. 

Polymer schützt und macht die Brennstoffzelle effizienter

Das wasserabweisende Polymer wurde an der RUB entwickelt und als Immobilisierungsmatrix für den Nickel-Komplex-Katalysator eingesetzt. Damit können zwei voneinander getrennte Reaktionszonen auf der Elektrodenoberfläche aufgebaut werden. Das ermöglicht eine hocheffiziente Oxidation von Wasserstoff im Inneren direkt auf der Elektrodenoberfläche und schützt an der äußeren Grenze zwischen Polymer und dem Elektrolyten in der Brennstoffzelle vor Sauerstoff, da es einen direkten Kontakt der Nickel-Katalysatoren mit der Elektrode unterbindet. "Das Besondere daran ist, dass der Katalysator selbst den Schutzmechanismus bereitstellt und Sauerstoff mit Elektronen, die aus der Wasserstoffoxidation gewonnen werden, direkt an der äußeren Polymerschicht reduziert und somit unschädlich macht", erklärt Wolfgang Schuhmann.

Gleichzeitig verhindert das Polymer, dass die innere wasserstoffoxidierende Schicht Elektronen an die Schutzschicht abgibt und somit die gewonnenen Elektronen aus der Wasserstoffoxidation an die Sauerstoffreduktion verschwendet werden. Laut der Forscher erwiesen sich die so aufgebauten Elektroden als stabil und können die für Brennstoffzellen erwünschte hohe Stromdichten bereitstellen. Damit wären molekulare Katalysatoren eine Alternative für den Aufbau von nachhaltigen und kostengünstigen Energieumwandlungssystemen. Die detaillierten Ergebnisse wurden in der wissenschaftlichen Fachzeitschrift "Nature Communications" veröffentlicht.

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2018 | OriginalPaper | Buchkapitel

Brennstoffzellen

Quelle:
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01.03.2018 | Im Fokus | Ausgabe 3/2018

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