Kohlenstoff ist ein Schlüsselmaterial zur Verbesserung der Effizienz von Energiespeichern und -wandlern. Chemiker der RUB verändern seine Oberfläche in Zusammenarbeit mit ihren Industriepartnern so, dass sie mehr Katalysatorpartikel tragen kann, oder sie modifizieren den Kohlenstoff, um teure herkömmliche Katalysatoren wie Platin ganz zu ersetzen.
Wie unscheinbares schwarzes Pulver sehen Carbon nanotubes aus, die Hoffnungsträger für leistungsstärkere Energiespeicher und -wandler. RUB-Chemiker optimieren ihre Oberfläche.
(Bild: RUB)
Bochum – Graphit und Ruß sind unverzichtbar in Batterien und werden als Elektrodenmaterial oder leitfähige Zusatzstoffe im großen Maßstab in der Industrie verwendet. Ruß wird zudem als Standardträgermaterial für Katalysatoren wie Platin-Nanopartikel in Brennstoffzellen eingesetzt.
Normalerweise besteht Ruß aus kugeligen Partikeln. Um die Oberfläche zu vergrößern, veränderte man die Form. Inzwischen arbeiten die Forscher mit mehrwandigen Carbon Nanotubes. Wegen der reaktionsträgen und wasserabweisenden Eigenschaften von Ruß ist es allerdings notwendig, die Oberfläche der Röhrchen zu verändern, damit zum Beispiel Platinpartikel als Katalysator auf dem Trägermaterial Kohlenstoff „andocken“ können. ´
Ätzung hilft Platinpartikeln beim Andocken an die Carbon Nanotubes
Um Nanotubes als Trägermaterial für Platinpartikel besser nutzbar zu machen, haben die RUB-Forscher eine lokalisierte Ätztechnik entwickelt, mit der sie Oberflächendefekte an vorbestimmten Stellen erzeugen können. Das Verfahren läuft in mehreren Schritten ab, wobei zuerst Eisenpartikel auf die Oberfläche aufgebracht werden. Sie sind Katalysator für die eigentliche Ätzung, bei der sie sich ins Material regelrecht hineinfressen. Durch eine Säurebehandlung werden sie schließlich wieder entfernt.
Damit das Verfahren noch effizienter wird, haben die Chemiker es weiter verfeinert. So setzen sie die Nanotubes zum Beispiel Säuredampf aus, anstatt der flüssigen Säure, und sparen sich so die Filterung, bei der viele Röhrchen verloren gehen.
Platin sparen bei gleicher Katalyseaktivität
Außerdem haben die Forscher Alternativen entwickelt, mit denen sich das teure Platin als Katalysator komplett einsparen lässt. Ein Beispiel ist stickstoffdotierter Kohlenstoff. Handelsüblicher Ruß und ein Spezialkunststoff waren die Ausgangsmaterialien. Sie werden gemischt und erhitzt – es entsteht ein unscheinbares Pulver. Seine katalytische Aktivität bei der Sauerstoffreduktionsreaktion ist ähnlich der von herkömmlichen Platinkatalysatoren.
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Stand vom 15.04.2021
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:quality(80)/images.vogel.de/vogelonline/bdb/508000/508079/original.jpg "Die Förderung der gesamten Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie in Deutschland liegt derzeit bei etwa 30 Millionen Euro – ein Zeichen für die großen Hoffnungen, die in diese Technologie gesetzt werden.")
:quality(80)/images.vogel.de/vogelonline/bdb/508000/508080/original.jpg "Carbon Nanotubes sehen aus wie schwarzes Pulver. Sie bestehen aus rund zehn konzentrisch eingerollten einzelnen Ebenen von Kohlenstoff.")
:quality(80)/images.vogel.de/vogelonline/bdb/508000/508081/original.jpg "Die vier Hauptschritte im Ätzprozess von mehrwandigen Carbon Nanotubes. Durch Säurebehandlung bilden sich an der Oberfläche der Röhren funktionelle Gruppen als Anker für Eisenatome, die durch Verdampfung aufgebracht werden. Sie dienen als Katalysator für die anschließende Ätzung durch Wasserdampf. Sie fressen sich in die Oberfläche der Röhre hinein und hinterlassen kleine Grübchen, die die Oberfläche der Röhre aufrauen und wiederum Ankerpunkte für Katalysatorpartikelwie Platin sind.")
:quality(80)/images.vogel.de/vogelonline/bdb/508000/508082/original.jpg "Rasterelektronenmikroskopische Bilder der Carbon Nanotubes vor (A) und nach (B) der Ätzung. Die Oberfläche ist nach der Ätzung wesentlich rauer. Man erkennt deutlich die Grübchen, die die Eisenpartikel hinterlassen haben.")
:quality(80)/images.vogel.de/vogelonline/bdb/1839600/1839654/original.jpg "Carbon Black wird in der Regel mit hohem Energie- und Prozessmaterialaufwand hergestellt. HiQ-Carb wird deshalb Standart-Leitruß durch neuen und viel grüneren hochwertigen Acetylenruß ersetzen.")
:quality(80)/images.vogel.de/vogelonline/bdb/1788800/1788847/original.jpg "Neue Studien zeigen: Wenn man einzelne Atome verwendet, kann man auch kostengünstige Materialien als Katalysatoren einsetzen.")