Elektrokatalysatoren Wird Kupfer das neue Platin für Brennstoffzellen?

Mit Brennstoffzellen soll der Verkehr umweltfreundlicher werden. Eine Herausforderung dabei: Geeignete Katalysatoren finden, die nicht nur effizient Strom aus Brennstoffen gewinnen, sondern auch möglichst preiswert sind. Forscher der Universität Innsbruck haben nun gezeigt, dass Kupfer hier ein lange unterschätzter Kandidat ist.

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Innsbruck/Österreich – Brennstoffzellen wandeln chemische in elektrische Energie um. Sie können auch in Elektrolyseuren zur Spaltung von Wasser oder zur Erzeugung synthetischer Kraftstoffe fungieren. Das alles funktioniert aber nur mit einem geeigneten Katalysator, der die Aktivierungsenergie für die Umwandlung herabsetzt.

Eine Herausforderung beim Entwickeln von Katalysatoren ist häufig die Suche nach dem passenden Material. „Bisher bestehen gut funktionierende Katalysatoren oft aus seltenen Elementen wie Platin oder Iridium, was sie sehr teuer macht“, sagt Julia Kunze-Liebhäuser, Professorin für Physikalische Chemie an der Universität Innsbruck. Daher suchen Forschende weltweit nach verfügbaren preiswerteren Alternativen.

Ein schmaler Grat für gute Katalyse

Bei dem Aufspüren guter Katalysatormaterialien hilft das jahrhundertealte Sabatierprinzip. „Dieses Prinzip besagt, dass ein gutes Katalysatormaterial die an der Reaktion beteiligten Moleküle nicht zu stark und nicht zu schwach binden sollte“, erläutert Kunze-Liebhäuser. „Die Bindung sollte stark genug sein, um die Reaktion zu aktivieren, allerdings auch schwach genug, um die Moleküle nicht für immer an sich zu binden und so die Reaktion zum Erliegen zu bringen.“

Dieser schmale Grat zwischen gut binden und leicht wieder freisetzen ist nur selten gegeben. „Viele Materialien erfüllen leider nicht dieses Prinzip, da Moleküle entweder alle stärker oder alle schwächer gebunden werden, während man oft Substanzen bräuchte, die gezielt bestimmte Moleküle stärker, andere aber schwächer an ihre Oberfläche anlagern“, führt die Chemikerin aus.

Katalysatoren sparsam beschichten

Gold in Nanoverpackung

Unterschätztes Kupfer

Ein bisher unterschätzter Kandidat für Brennstoffzellen-Katalysatoren scheint Kupfer zu sein. Denn das Metall hat einen ganz eigenen Weg, dem Sabatierprinzip gerecht zu werden, wie das Team um Kunze-Liebhäuser in Kooperation mit Prof. Karsten Reuter vom Fritz-Haber-Institut Berlin nun gezeigt hat: Bei der Elektrooxidationsreaktion von Kohlenmonoxid beobachteten sie, dass sich die Oberfläche eines Kupfer-Katalysators während der Reaktion verändert.

Da Kohlenmonoxid als wichtigstes Zwischenprodukt bei der Oxidation von Brennstoffen in Brennstoffzellen gilt, ist dies eine besondere Entdeckung für die Katalyseforschung. „In der Literatur ist Kupfer als für diese Reaktion inaktiv beschrieben, und auch unsere Berechnungen zeigten, dass ein Kupfer-Katalysator eigentlich nicht funktionieren sollte. Im Experiment konnten wir allerdings eine hohe elektrokatalytische Aktivität messen“, beschreibt Kunze-Liebhäuser.

Nanocluster speichern Ladung

Um diesem widersprüchlichen Ergebnis auf die Spur zu kommen, schauten die Wissenschaftler genauer hin und fanden mit dem Rastertunnelmikroskop die Erklärung für die hohe Aktivität des Kupferkatalysators. „Wir haben herausgefunden, dass Kupfer während der Reaktion seine Oberfläche verändert und sich dabei laufend kleine Inseln aus wenigen Kupfer-Atomen bilden“, erklärt die Chemikerin. „In diesen hervorstehenden, nur nanometergroßen Clustern speichert sich, lokal abgegrenzt, unter der angelegten Spannung die Ladung adsorbierender Moleküle, was zu fundamental anderen Bindungseigenschaften führt.“

Kupfer kann also seine Bindungsstärke für geladene und neutrale Moleküle durch nanometrische Cluster auf der Katalysatoroberfläche separat und entkoppelt verändern. Diese Eigenschaft könnte einen komplett neuen Zugang darstellen, das Sabatierprinzip zu erfüllen. Bei Kupfer bilden sich diese Cluster spontan – die Arbeitsgruppe um Kunze-Liebhäuser will nun erforschen, ob diese Cluster auch gezielt erzeugt werden können, um bessere preiswerte Katalysatoren für Brennstoffzellen herzustellen.

Originalpublikation: Andrea Auer, Mie Andersen, Eva-Maria Wernig, Nicolas G. Hörmann, Nico Buller, Karsten Reuter & Julia Kunze-Liebhäuser: Self-activation of copper electrodes during CO electro-oxidation in alkaline electrolyte, Nature Catalysis (2020); DOI: 10.1038/s41929-020-00505-w

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