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Brennstoffzellen Katalysator für die Sauerstoffreduktion in Brennstoffzellen verbessert

| Redakteur: Tobias Hüser

Ob Batterie, ob Brennstoffzelle - leistungsfähige Elektroden sind das A und O jeder elektrochemischen Zelle. Ein koreansich-amerikanisches Forscherteam hat jetzt ein neuartiges Elektrodenmaterial vorgestellt, das auf Melaminschaum und Ruß basiert. Dank einer hohen Porosität erleichtert das Elektrodenmaterial den schnellen Massentransport erheblich. Eine hohe Zahl an katalytisch aktiven Zentren soll zudem die Sauerstoff reduzierende Aktivität von Kathoden für Brennstoffzellen und Metall-Luft-Batterien drastisch verstärken.

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Die elektrokatalytische Sauerstoff-Reduktion spielt eine bedeutende Rolle bei der elektrochemischen Energie-Umwandlung.
Die elektrokatalytische Sauerstoff-Reduktion spielt eine bedeutende Rolle bei der elektrochemischen Energie-Umwandlung.
(Bild: TU Darmstadt)

Ulsan/Südkorea, Atlanta/USA – Forschern des Ulsan National Institute of Science and Technology und dem Georgia Institute of Technology ist es gelungen, einen hocheffizienten Elektrokatalysator für die Sauerstoffreduktion in Brennstoffzellen und Metall-Luft-Batterien zu entwickeln. Bisher war diese Reaktion aufgrund ihrer schleppenden Reaktionsgeschwindigkeit deutlich gehemmt. Das Problem: Die katalytische Kathode muss dafür sorgen, dass Sauerstoff mit Wasser in alkalischer Lösung unter Aufnahme von Elektronen zu OH-Ionen reagiert. Bei einem komplexen System, an dem feste, flüssige und gasförmige Partner beteiligt sind, laufen Transportprozesse aber oftmals nicht schnell genug ab und hemmen so den Prozess, besonders bei der Entladung mit höheren Stromdichten.

Kathoden aus einem porösen Kohlenstoffträger (Ruß), auf dem ein katalytisch aktives Edelmetall wie Platin fein dispergiert ist, können diese kinetische Hemmung zwar sehr effektiv verringern, aber sie sind teuer und nicht sehr stabil. Ziel des Teams um die Forscher Jaephil Cho und Meilin Liu war es daher, eine kostengünstige Alternative zu entwickeln.

Durch Wellenbrecher inspiriert

Die Tetrapodenstruktur eines Wellenbrechers diente ihnen als Inspiration für die Synthese eines neuen Elektrokatalysators. Tetrapoden, deren vier "Füße" in die Ecken eines imaginären Tetraeders weisen, werden an Küsten, Dämmen oder Molen aufgeschichtet, um die Kraft der gegen das Ufer schlagenden Wasserwellen zu mindern. Gleichzeitig bieten diese Schichten dank ihrer zahlreichen großen Hohlräume Unterschlupf für marine Lebewesen. Wenn man Melaminharz pyrolisiert und mörsert, entstehen mikroskopisch kleine Bruchstücke, die an Tetrapoden erinnern.

Die Wissenschaftler behandelten Melaminharz mit Eisenchlorid und stickstoffdotiertem Ketjenblack (elektrisch leitfähigen Rußpellets), verkohlten es und laugten es mit Schwefelsäure aus. Die Forscher fanden heraus, dass die entstehenden mit Rußnanopartikeln besetzten Nano-Tetrapoden eine sehr hohe spezifische Oberfläche, eine hohe Zahl an katalytisch aktiven Zentren (Fe/Fe3C und CN-Gruppen) sowie viele Poren für einen raschen Massentransport bieten.

Kathoden aus dem neuen Elektrodenmaterial zeigten laut den Forschern eine hohe Beständigkeit und elektrochemische Leistungsdaten, die mit denen der edelmetallbasierten Kathoden konkurrieren können - bei einem wesentlich geringeren Preis. Daher sollen sie ein vielversprechenden Ausgangspunkt für eine neue Generation preiswerter und hochleistungsfähiger Metall-Luft-Batterien und Brennstoffzellen sein.

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