Neue Katalysatormaterialien auf Basis von Torf für Brennstoffzellen
An BESSY II wurden die Proben mit Röntgen-Kleinwinkelstreuung auf eine Vielzahl von Strukturparametern untersucht. © E. Härk/HZB
Effizienz und Selektivität der Reaktionen in einer Anionenaustauschmembran-Brennstoffzelle können durch die komplexe Porenstruktur des Fe-N-C-Elektrokatalysators verbessert werden. © R. Jäger/University Tartu
Eine Aufnahme mit dem Transmissionselektronenmikroskop mit extrem hoher Auflösung zeigt die sehr komplexe Struktur in einer Probe des Eisen-Stickstoff-Kohlenstoff-Gemischs. © HZB
Eisen-Stickstoff-Kohlenstoff-Katalysatoren haben das Potenzial, teure Platinkatalysatoren in Brennstoffzellen zu ersetzen. Dies zeigt eine Studie aus Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und der Universitäten in Tartu und Tallinn, Estland. An BESSY II beobachtete das Team, wie sich komplexe Mikrostrukturen in den Proben bilden. Anschließend analysierten sie, welche Strukturparameter für die Förderung der bevorzugten elektrochemischen Reaktionen besonders wichtig waren. Der Rohstoff für solche Katalysatoren ist gut zersetzter Torf.
Brennstoffzellen wandeln die chemische Energie von Wasserstoff direkt in elektrische Energie um und produzieren dabei nur Wasser. Brennstoffzellen könnten ein wichtiger Baustein in einem klimaneutralen Energiesystems werden. Das größte Verbesserungspotenzial liegt in der Kostensenkung durch den Ersatz der Elektrokatalysatoren, die derzeit auf dem Edelmetall Platin basieren.
„Nano-Labyrinth” für Moleküle
Kohlenstoffbasierte Katalysatoren, die Eisen und Stickstoff enthalten, sind dafür eine sehr interessante Option. Sie können in Anionenaustauschmembran-Brennstoffzellen eingesetzt werden. Die Kombination von Kohlenstoff, Stickstoff und Eisen findet sich beispielsweise in gut zersetztem Torf aus Estland. Kohlenstoffbasierte Materialien haben bemerkenswerte Eigenschaften, einige von ihnen sind hochporös, sie besitzen Poren unterschiedlicher Größe, die miteinander vernetzt sein können wie die Wege in einem Ameisenbau. Durch diese Gänge können Wasserstoff- und Sauerstoffatome wandern, um die katalytisch aktiven Stellen zu erreichen, an denen die gewünschten Reaktionen stattfinden. Auch das Endprodukt, Wasser, wird auf diese Weise ebenfalls abtransportiert. „Indem wir die hierarchischen Strukturen im Katalysatormaterial verändern, also beispielsweise Größe und Dicke der Porenwände, können wir Materialien mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften herstellen“, sagt Rutha Jäger, Erstautorin der Studie von der Universität Tartu.
Suche nach den besten Strukturen
Eneli Härk, Elektrochemikerin und Expertin für Kleinwinkelstreuung am HZB, umreißt die Forschungsfrage so: „Wir wollten verstehen, warum einer der Fe-N-C-Elektrokatalysatoren so eine außergewöhnliche Effizienz und Selektivität aufwies, vergleichbar mit der Leistung des besten Nichtedelmetallkatalysators, während andere Fe-N-C-Proben nicht so gut abschnitten.“ Mit Hilfe der Kleinwinkel-Röntgenstreuung an BESSY II untersuchten sie die wichtigsten strukturellen Eigenschaften: hierarchische Porosität, strukturelle Unordnung und den Wechselwirkungsabstand zwischen aktiven Zentren innerhalb der Poren. „Die Kleinwinkel-Röntgenstreuung liefert detaillierte und quantitative Informationen über die Porenkrümmung und das Verhältnis zwischen Porengröße und Porenwanddicke – Parameter, die mit anderen Methoden nur schwer direkt zu messen sind“, erklärt Eneli Härk.
Anstatt sich auf Versuch und Irrtum zu verlassen, entwarf das Team eine systematische Studie. Fünf Proben wurden gleichzeitig bei unterschiedlichen Synthesetemperaturen von 800 bis 1000 °C synthetisiert, um die Poren- und Porenwandstruktur systematisch zu variieren. Diese Proben wurden zusammen mit einem handelsüblichen Katalysator an BESSY II mittels anomaler Kleinwinkel-Röntgenstreuung (ASAXS) und konventioneller SAXS charakterisiert, um ihre Porenstruktur und die Verteilung der aktiven Zentren zu bestimmen. Anschließend wurden die Materialien als Katalysatoren für die Sauerstoffreduktionsreaktion getestet, um einen empirischen Zusammenhang zwischen den strukturellen Merkmalen und der elektrochemischen Leistung herzustellen. Aus den Röntgenuntersuchungen leitete das Team 13 Strukturparameter ab, die die katalytische Leistung beeinflussen, darunter Porosität, Unordnung und Porenkrümmung.
„Die Kleinwinkelstreuung liefert uns sozusagen eine präzise Karte des Ameisenhügels, während das elektrochemische Verhalten des Katalysators uns zeigt, wie sich die „Ameisen“, also die Moleküle, darin bewegen“, erklärt Eneli Härk. Ein Ergebnis ist, dass bei einer Porenkrümmung von mindestens drei Nanometern die Reduktion von Sauerstoff zu Wasser am besten funktioniert und auch die Bildung von problematischem Wasserstoffperoxid minimiert wird.
Ausblick – auf dem Weg zur Kostensenkung
„Wir wussten grundsätzlich, wie die Materialien elektrochemisch funktionieren und dass die hierarchische Porosität des Materials wichtig ist, aber warum eines davon besser funktioniert, blieb ein Rätsel. Jetzt konnten wir jedoch endlich die strukturellen Nuancen aufdecken, die die Reaktion fördern“, sagt Rutha Jäger. Da Fe-N-C aus gut zersetztem Torf synthetisiert werden kann, ist das Material wirklich umweltfreundlich. Die Ergebnisse zeigen einen Weg auf, der die Systemkosten senken und die Nachhaltigkeit verbessern kann.
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