Brennstoffzellenkatalysatoren reagieren anders als gedacht

Eine Studie aus Berlin zeigt, dass die Aktivität von Brennstoffzellenkatalysatoren nicht von einem einzelnen Reaktionsschritt abhängt. Das verändert etablierte Modelle der Elektrokatalyse.

Forschende des Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft haben neue grundlegende Erkenntnisse zur Funktionsweise von Katalysatoren in Brennstoffzellen gewonnen. Wie aus einer Veröffentlichung im Fachmagazin Nature Communications hervorgeht, beeinflussen mehrere aufeinanderfolgende Reaktionsschritte die Gesamtkinetik der Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) – einem zentralen Prozess für die Effizienz von Brennstoffzellen.

Die Studie zeigt, dass Veränderungen an der Grenzfläche zwischen Katalysator und Elektrolyt eine entscheidende Rolle spielen. Demnach lässt sich die Aktivität der untersuchten Katalysatoren nicht auf einen einzelnen geschwindigkeitsbestimmenden Reaktionsschritt zurückführen, wie in der Elektrokatalyse lange angenommen wurde.

Kinetik unter realistischen Bedingungen untersucht

Das Forschungsteam analysierte vier unterschiedliche Brennstoffzellenkatalysatoren systematisch unter industriell relevanten Bedingungen. Dabei wurde untersucht, wie sich Spannung und Sauerstoffdruck auf die Reaktionskinetik auswirken. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich die reaktionsbestimmenden Schritte mit der angelegten Überspannung verändern.

"Die traditionelle Ansicht ist, dass mehrstufige Reaktionen auf einen einzelnen geschwindigkeitsbestimmenden Zwischenschritt zurückgeführt werden können", erklärte Studienautor Dr. Sebastian Öner. Diese Annahme treffe für die untersuchten Systeme jedoch nicht zu. Stattdessen werde die Katalysatoraktivität durch mehrere spannungs- und druckabhängige Prozesse an der Grenzfläche bestimmt.

Neue Impulse für die Katalysatorforschung

Nach Einschätzung der Forschenden verändert die Arbeit das Verständnis mehrstufiger elektrokatalytischer Reaktionen grundlegend. Die Ergebnisse liefern einen neuen kinetischen Rahmen, um struktur- und spannungsabhängige Veränderungen von Katalysatoren besser zu interpretieren, etwa mithilfe von Operando-Spektroskopie und -Mikroskopie.

Institutsleiterin Prof. Dr. Beatriz Roldán Cuenya betont, wie wichtig es sei, chemische und strukturelle Veränderungen an der Grenzfläche systematisch mit den Aktivierungsparametern zu verknüpfen. Langfristig könnten die Erkenntnisse dazu beitragen, Katalysatormaterialien für elektrochemische Energieumwandlung gezielter weiterzuentwickeln.