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Sauerstoffreduktion
Sauerstoff kann elektrochemisch durch Aufnahme von vier Elektronen aus der Elektrode entweder direkt zu Wasser oder in einer konkurrierenden Reaktion durch Aufnahme von nur zwei Elektronen zu Wasserstoffperoxid reduziert werden:
O2 + 4H+ + 4e-→ 2H2O | E0 = 1.23 V (pH = 0) |
O2 + 2H+ + 2e-→ H2O2 | E0 = 0.68 V (pH = 0 |
Die elektrochemische Reduktion von Sauerstoff findet ihre technische Anwendung auf der Kathode in Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEM-BZ). Um ausreichend hohe Stromdichten erreichen zu können, müssen die Vorgänge an der Kathode durch den Einsatz geeigneter Katalysatoren beschleunigt werden. Dabei sollen diese Katalysatoren möglichst nur die direkte Reduktion zu Wasser katalysieren, da so höhere Potenziale erreicht werden können und die Bildung von chemisch aggressivem Peroxid verhindert wird. Für diese Aufgabe haben sich bislang metallisches Platin und seine Legierungen, die in Form kleinster Partikel auf einem Kohlenstoffträger abgeschieden wurden, am besten bewährt. Da Platin aber ein teures und seltenes Edelmetall ist, wird international nach preiswerten Alternativen gesucht. In den letzten zehn Jahren wurden am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) unter anderem zwei vielversprechende alternative Materialsysteme untersucht und für die technische Anwendung optimiert. Zum einen handelt es sich dabei um pyrolysierte Übergangsmetall-Chelat-Verbindungen (insbesondere CoTMPP und FeTMPPCl) und zum anderen Chalkogen-modifizierte Ruthenium-Nanopartikel. Neben der elektrischen Charakterisierung bezüglich der Aktivität, Selektivität und Stabilität bildet die Strukturaufklärung dieser Kathoden-Katalysatoren mittels leistungsfähiger analytischer Methoden einen Schwerpunkt der Arbeiten.
