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Neue Methode Pulverförmige Katalysatoren stabil auf Elektroden fixieren

| Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Für industrielle Anwendungen müssen Katalysatoren über Jahre hinweg ihre Arbeit verrichten. für viele Anwendungen sind pulverförmige Katalysatoren interessant, doch deren Immobilisierung auf der Elektrodenoberfläche ist ein Problem. Nun könnte eine neue Methode weiter helfen. Die an ihrer Entwicklung beteiligten Wissenschaftler erläuterten sie im LP-Exklusivinterview. Das Gespräch führte LP-Chefredakteur Marc Platthaus.

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Dr. Corina Andronescu und Doktorand Stefan Barwe
Dr. Corina Andronescu und Doktorand Stefan Barwe
(Bild: Ruhr-Universität Bochum)

LP: Sie sind zwar kein Perpetuum mobile der Chemie, dennoch sind Katalysatoren in ihrer Wirkung einzigartig. Definitionsgemäß erhöhen diese Stoffe die Reaktionsgeschwindigkeit chemischer Reaktionen, ohne dabei jedoch selbst verbraucht zu werden. Für viele Anwendungen sind pulverförmige Katalysatoren interessant. Wofür werden sie eingesetzt?

Dr. Corina Andronescu: Pulverförmige Katalysatoren sind allgemein weitverbreitete Katalysatoren für heterogen katalysierte Gas- bzw. Flüssigphasenreaktionen. Somit werden sie für eine Vielzahl an Reaktionen eingesetzt. In der Elektrokatalyse finden die zu katalysierenden Reaktionen in der Regel an der Elektrode statt, sodass diese entweder selbst katalytisch wirkend oder aber mit katalytisch aktivem Material modifiziert sein müssen, um den notwendigen Elektronentransfer gewährleisten zu können. Prominente Reaktionen, für die aktuell eine Vielzahl an pulverförmigen Katalysatoren erforscht wird, sind die elektrochemische Wasserspaltung, bestehend aus der Wasserstoff­evolutions- und Sauerstoffevolutionsreaktion an Kathode bzw. Anode, sowie die Sauerstoffreduktionsreaktion als wichtige Reaktion in Brennstoffzellen. Die Verwendung pulverförmiger Katalysatoren bietet viele Vorteile im Hinblick auf Katalysator(partikel)design verglichen mit physikalisch abgeschiedenen Katalysatorfilmen.

LP: Welche besonderen Herausforderungen gibt es beim Einsatz pulverförmiger Katalysatoren?

Stefan Barwe: Ein wesentliches Problem, das sich aus der Verwendung pulverförmiger Katalysatoren ergibt, ist deren Immobilisierung auf der Elektrodenoberfläche. Häufig werden Bindermaterialien verwendet, die aber in ihren Eigenschaften, wie elektrische und Ionenleitfähigkeit, nicht optimal sind, sodass z.B. die Zugabe von leitfähigkeitserhöhenden Zusätzen erforderlich ist. Besonders die physikalisch sehr anspruchsvollen Bedingungen im Verlauf von gasentwickelnden Reaktionen in hoch korrosivem Medium, wie es beispielsweise bei der alkalischen Wasserelektrolyse der Fall ist, stellen hohe Anforderungen an die Immobilisierungsmatrix pulverförmiger Katalysatoren. Die Bildung und das Ablösen von Gasblasen während der Reaktion sorgte bisher in vielen Fällen für ein Ablösen katalytisch aktiven Materials von der Elektrode, wodurch die gesamtkatalytische Aktivität der modifizierten Elektrode abnimmt, bis hin zum kompletten Verlust des Katalysators.

LP: Mit Ihrer Arbeitsgruppe am Zentrum für Elektrochemie der Ruhr-Universität Bochum haben Sie nun einen neuen Weg gefunden, um pulverförmige Katalysatoren stabil auf Elektroden zu befestigen. Welchen besonderen „Trick“ wenden Sie an?

Dr. Andronescu: Die von uns entwickelte Methode basiert auf der Immobilisierung von pulverförmigem Katalysatormaterial in einer Kohlenstoffmatrix. Die Kohlenstoffmatrix wirkt dabei nicht nur als Katalysatorbefestigung, sondern erhöht gleichzeitig auch die elektrische Leitfähigkeit des Katalysatorfilms. Die Einbettung des Katalysatorpulvers erfolgt durch Verkohlung eines Polymerfilms direkt auf der Elektrodenoberfläche, in dem die Katalysatorpartikel enthalten sind. Die Auswahl eines geeigneten Polymers ist dabei von größter Wichtigkeit. Um einen stabilen Film auf der Elektrode zu erhalten, ist es wichtig, dass der auf die Elektrode aufgebrachte Film aus Katalysatorpartikeln und Monomermolekülen während des Polymerisationsvorgangs sein Volumen nicht ändert, um Risse bzw. Spannungen, an denen sich der Katalysator später leicht ablösen kann, zu vermeiden. Eine weitere benötigte Schlüsseleigenschaft des verwendeten Polymers ist das Zurückbleiben ausreichender Mengen Kohlenstoff nach der thermischen Zersetzung und Verkohlung, um eine stabile Kohlenstoffmatrix zur Immobilisierung zu erhalten. Die Klasse der Polybenzoxazinpolymere zeichnete sich bereits in verschiedenen Anwendungsgebieten durch ihre hervorragenden Eigenschaften aus, und wird daher im Flammschutz, Korrosionsschutz und in der Luft- und Raumfahrttechnik eingesetzt.

LP: Und wie genau sind Sie bei der Immobilisierung vorgegangen?

Barwe: Um pulverförmige Katalysatoren stabil auf Elektrodenoberflächen zu immobilisieren wurde zunächst der Katalysator so modifiziert, dass er mit den Monomeren des späteren Polymers kompatibel ist. Durch Behandeln mit Ultraschall wird dann eine homogene Dispersion des Katalysatorpulvers in der Monomerlösung erhalten, die dann auf die Elektroden­oberfläche aufgetragen wird, wobei beispielsweise Aufstreichen, Sprühbeschichtung, oder Tauchbeschichtung möglich sind. Bei verschiedenen Temperaturen muss dann zunächst die Polymerisierung der Monomere stattfinden, bevor der Polymerfilm schlussendlich durch Pyrolyse oder Kalzinierung in die stabilisierende Kohlenstoffmatrix transformiert werden kann, welche die Katalysatorpartikel enthält.

LP: Für welche Anwendungsbereiche wird das neue Verfahren von Interesse sein, und ab wann ist es einsetzbar?

Barwe: Das von unserer Arbeitsgruppe entwickelte Verfahren ist prinzipiell überall da von Interesse, wo Elektrokatalysatoren, die als Pulver vorliegen, stabil und langanhaltend auf Elektrodenoberflächen aufgebracht werden müssen. Besonders geeignet ist es für Reaktionen, die unter physikalisch sehr anspruchsvollen Bedingungen ablaufen, beispielsweise erhöhte Temperaturen, hohe Laugenkonzentrationen und immense Gasentwicklung an der Elektrodenoberfläche. Generell können Katalysatoren, die die thermische Umwandlung des Polymerfilms in die leitfähige Kohlenstoffmatrix überstehen, durch das vorgestellte Verfahren auf stabile Art auf Elektrodenoberflächen immobilisiert werden. Demnach ist das Verfahren für den Bereich der Elektrosynthese genauso interessant, wie für den Bereich der Konversion und Speicherung erneuerbarer Energien in Elektrolyseuren, Brennstoffzellen und Metall-Luft-Batterien. Die nötigen Verfahren, um Elektroden auch im größeren Maßstab zu beschichten, wie das Aufsprühen von Farben oder Lacken und das darauffolgende Glühen von Bauteilen, sind bereits entwickelt und industriell etabliert. Demnach wäre das entwickelte Verfahren umgehend und ohne weitere Entwicklung in der Fertigung einsetzbar.

Vielen Dank für das Gespräch Frau Dr. Andronescu und Herr Barwe

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Zu den Personen – Andronescu & Barwe

Corina Andronescu: 2014 Promotion in Chemieingeneurwesen an der Universität Politehnica Bukarest zum Thema Entwicklung und Charakterisierung von Verbundwerkstoffen basierend auf Polybenzoxazinharzen; 2014 bis 2016 Dozentin an der Universität Politehnica Bukarest; seit 2016 Postdoc in der Gruppe von Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann, Lehrstuhl für Analytische Chemie – Zentrum für Elektrochemie (CES), Ruhr-Universität Bochum; Forschungsschwerpunkt: Entwicklung von Kompositmaterialien für die Elektrokatalyse.

Stefan Barwe: Masterabschluss an der Ruhr-Universität Bochum; derzeit Doktorand in der Gruppe von Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann Forschungsschwerpunkt: Bereich Elektrokatalyse.

Originalpublikationen:

C. Andronescu, S. Barwe, E. Ventosa, J. Masa, E. Vasile, B. Konkena, S. Möller, W. Schuhmann: Fixierung von NiFe-Hydrotalkit-Pulverkatalysatoren für die postelektrolytische strukturelle Charakterisierung von Elektrokatalysatoren für die Sauerstoffevolution. Angew. Chem. 129 (2017) 11411-11416

C. Andronescu, S. Barwe, E. Ventosa, J. Masa, E. Vasile, B. Konkena, S. Möller, W. Schuhmann: Powder catalyst fixation for post-electrolysis structural characterisation of NiFe layered double hydroxide based oxygen evolution reaction electrocatalysts. Angew. Chem. Int. Ed. 56 (2017) 11258-11262

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