Neuartiger Katalysator mit zwei Funktionen – Hoffnung auf günstigere Brennstoffzellen

Die neuartigen Katalysatoren, die die RUB-Chemiker entwickelten, können zwei gegensätzliche Reaktionen fördern: die Elektrolyse von Wasser und die Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff / Bildquelle: RUB, Grafik: Masa

Chemiker der Ruhr-Universität Bochum haben einen entscheidenden Schritt in Richtung kostengünstiger regenerativer Brennstoffzellen und wiederaufladbarer Metall-Luft-Batterien gemacht. Sie entwickelten einen neuartigen Katalysator auf Basis von Kohlenstoff, der zwei gegensätzliche Reaktionen fördern kann: die Elektrolyse von Wasser und die Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff. Ein solcher Katalysator könnte es ermöglichen, Wind- oder Solarenergie zu speichern und günstigere Batterien zum Beispiel für Elektroautos herzustellen. Das Team berichtet in der International Edition der Zeitschrift Angewandte Chemie.

Die sogenannten bifunktionalen Katalysatoren können Wasser unter Zufuhr von Energie in Wasserstoff und Sauerstoff spalten – Elektrolyse – und die Energie in den chemischen Bindungen des gebildeten Wasserstoffs speichern. Die gleichen Katalysatoren können auch zu einer Brennstoffzelle umgepolt werden; sie verbrennen Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser und erzeugen dabei Strom. Bislang nutzten Forscher für diese Zwecke Katalysatoren auf Basis von Edelmetallen. Diese haben jedoch den Nachteil, dass sie entweder gut für die Elektrolyse oder gut für die Verbrennung sind, jedoch nicht für beides.

Die neuartigen Bochumer Katalysatoren bestehen aus Manganoxid- oder Kobaltoxid-Nanopartikeln, die in speziell modifiziertem Kohlenstoff eingeschlossen sind, in den die Forscher an bestimmten Positionen Stickstoffatome einbauten. Das Team um Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann und Prof. Dr. Martin Muhler von der Fakultät für Chemie und Biochemie untersuchte die Katalysatoren mit zahlreichen spektroskopischen und elektrochemischen Methoden. So bestimmten sie, welche Eigenschaften für die Bifunktionalität entscheidend sind.

In einer vorangegangenen Publikation im „Journal of the American Chemical Society” hatten die Bochumer Forscher bereits eine weitere Technik beschrieben, um die bifunktionalen Kohlenstoffkatalysatoren herzustellen. Zu diesem Zweck schnitten sie Nanoröhren aus Kohlenstoff mithilfe von Wärme und Sauerstoff auf und machten die darin eingeschlossenen Katalysatorpartikel nutzbar. Die Methode ist bestechend einfach. Die Produktion wäre daher im Vergleich zu Katalysatoren auf Edelmetallbasis sehr günstig.

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft förderte die Arbeiten im Rahmen des Exzellenzclusters RESOLV (EXC 1069) und die Helmholtz-Energie-Allianz im Rahmen des Projekts „Stationäre elektrochemische Speicher und Wandler“ (HA-E-0002).

Titelaufnahmen: A. Zhao, J. Masa, W. Xia, A. Maljusch, M.-G. Willinger, G. Clavel, K. Xie, R. Schlögl, W. Schuhmann, M. Muhler (2014): Spinel Mn-Co oxide in N-doped carbon nanotubes as a bifunctional electrocatalyst synthesized by oxidative cutting, Journal of the American Chemical Society, DOI: 10.1021/ja502532y

J. Masa, W. Xia, I. Sinev, A. Zhao, Z. Sun, S. Grützke, P. Weide, M. Muhler, W. Schuhmann (2014): MnxOy/NC and CoxOy/NC nanoparticles embedded in a nitrogen-doped carbon matrix for high-performance bifunctional oxygen electrodes, Angewandte Chemie International Edition, DOI: 10.1002/anie.201402710

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