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02.05.2017 | Brennstoffzelle | Nachricht | Onlineartikel

Robuste Brennstoffzellen dank Nickelschaum

Autor:
Andreas Burkert

Katalysatoren in einer Brennstoffzelle leiden unter extremen oxidativen Stress. Nun konnten Forscher Metalloxid-Nickelschaum-Elektroden herstellen, die nicht nur immun gegen die Redoxreaktionen sind.

Wissenschaftler aus Ulm und Peking haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich robuste Katalysatoren herstellen lassen, denen oxidativer Stress nichts anhaben kann. Dieser entsteht beispielsweise bei der katalytischen Aufspaltung von Wasser in einer Brennstoffzelle. Zum Einsatz kommen dabei Metalloxid-Nickelschaum-Elektroden, die noch dazu preisgünstig hergestellt werden können. Hintergrund der Forschungsarbeiten ist, dass die in der Brennstoffzelle ablaufenden Redoxreaktionen den Katalysatoren extrem zusetzen.

"Vor allem die Sauerstoff-Entwicklung ist hier ein Problem, weil dieses chemische Element in seiner atomaren Form hochreaktiv und damit sehr aggressiv ist“, so Professor Carsten Streb vom Institut für Anorganische Chemie I an der Universität Ulm. Gemeinsam mit Wissenschaftlern der Bejing University of Chemical Technology hat der Chemiker nun ein Verfahren entwickelt, mit dem äußerst robuste Katalysatoren kostengünstig hergestellt werden können. Veröffentlicht wurde diese Neuentwicklung in der aktuellen Ausgabe des hochrenommierten Fachjournals Angewandte Chemie.

Einsatz kostengünstiger aktiver Materialien

Zum Einsatz kommen dabei bestimmte Polyoxometallate (POMs). Diese besonderen Metalloxide sind molekulare Cluster aus sogenannten Übergangsmetallen, die über Sauerstoffatome miteinander verbrückt sind und dabei dreidimensionale Netzwerke ausbilden. Aufgrund ihrer hohen Redoxaktivität und ihrer herausragenden Stabilität unter oxidierenden Bedingungen eignen sie sich bestens als Katalysatoren für die Sauerstoffentwicklung. In den reaktiven Zentren dieser Metalloxid-Cluster sind die chemischen Elemente Nickel und Kobalt verbaut. Diese beiden Übergangsmetalle erfüllen in idealer Weise die Voraussetzungen für die Oxidation von Wasser. Das zugesetzte Wolfram, das ebenfalls zur Reihe der Übergangsmetalle gehört, dient als strukturstabilisierendes Element.

"Diese sogenannten Dexter-Silverton-Polyoxometallate sind als katalytisch aktive Materialien weitaus kostengünstiger als die ansonsten gebräuchlichen Edelmetalle wie Platin“, sagt Streb. Für den kommerziellen Einsatz sei dies deutlich von Vorteil. Als Material für die Elektroden verwendeten die Wissenschaftler einen Metall-Schaum aus Nickel, der sich aufgrund seiner hohen Leitfähigkeit und besonderen Oberflächenstruktur bei der Elektrolyse bewährt hat.

Mikrokristalle auf der Elektrodenoberfläche

An dieser Stelle allerdings stellt sich die Frage, "wie man das katalytisch aktive POM-Material dazu bringt, mit der Nickel-Schaum-Elektrode eine stabile Verbindung einzugehen?“. So umschreibt der Ulmer Doktorand Benjamin Schwarz die materialchemische Ausgangsfrage, die das deutsch-chinesischen Forscherteam nun beantworten kann. Über ein einfaches hydrothermales Verfahren gelang es, die ursprünglich gelösten Polyoxometallate als Mikrokristalle auf der Elektrodenoberfläche abzuscheiden. Die Elektroden werden dafür bei 180 Grad Celsius acht Stunden lang in eine POM-Lösung getaucht.

"Unter dem Rasterelektronenmikroskop kann man die POM-Kristalle deutlich erkennen. Diese zeigen wunderbare kristalline Formen und sind fest mit der Elektrodenoberfläche verbunden“, beschreibt Professor Yu-Fei Song. Song leitet an der Bejing University of Chemical Technology das State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering und hat mit seinen Doktoranden Wenijing Luo und Jun Hu die hochaufwändigen chemisch-physikalischen Oberflächenanalysen durchgeführt.

Herausragende Stabilität

Diese Analysen zeigten, dass sowohl die Morphologie also auch die Kristallstruktur des POM-Katalysators nach der Katalyse völlig intakt geblieben sind. Nichts bröckelte ab oder löste sich auf. "Damit konnten wir die herausragende Stabilität im alkalischen Milieu unter oxidativen Bedingungen nachweislich aufzeigen“, sagt Professor Song. Im späteren Vergleich mit ähnlichen Cobalt-basierten Elektroden, die für die Sauerstoffentwicklung eingesetzt werden, zeigte sich, dass die von den Ulmer Wissenschaftlern neu entwickelte NiCo-POM/Ni-Elektrode nicht nur im Hinblick auf ihre elektrochemische Leistung überzeugen konnte, sondern auch Spielräume bietet, um die Reaktivität des Materials auf molekularer Ebene zu steuern.

Eine Schlüsselrolle spielt dabei die Kontrolle der Kristallgrößen. "Denn je kleiner die POM-Kristalle sind, desto größer wird die reaktive Oberfläche, an denen diese elektrochemischen Prozesse ablaufen können“, betont der Ulmer Chemieprofessor Carsten Streb. Und eine weitere Frage lässt die Wissenschaftler nicht los: wie kommt es eigentlich, dass das POM mit der Nickel-Schaum-Elektrode chemisch so fest verbunden ist? Welche Bindungskräfte wirken hier zwischen Metall und Metalloxid? Warum ihr Verfahren zur Immobilisierung des Polyoxometallats auf der Metall-Schaum-Elektrode so gut funktioniert, wissen die Chemiker selbst jedoch noch nicht.

Die Hintergründe zu diesem Inhalt

2016 | OriginalPaper | Buchkapitel

Das Prinzip der Brennstoffzelle

Quelle:
Brennstoffzellentechnik

2016 | OriginalPaper | Buchkapitel

Heterogene Katalyse

Quelle:
Einführung in die Technische Chemie

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