Unedel und doch gediegen

Bick ins Detail: Der poröse Katalysator (rote Kugeln) beherbergt auf seiner Oberfläche dichte, katalytisch aktive Zirkoniumstellen (im gelben Kreis) und verbessert so die chemischen Reaktionen der Batterie, die mit der Energiespeicherung verbunden sind.
HZDR/Bernd Schröder, Minghao Yu

Neuartiger Katalysator verhilft Zink-Luft-Batterie zu Rekord-Leistungsdichte.

Der langfristige Umstieg auf erneuerbare Energien ist ohne Technologien zur Energiespeicherung undenkbar. Dazu zählen auch Batterien, in denen Elektrizität in Form von chemischer Energie zwischengespeichert wird. Wesentlich für ihre Effizienz ist die Verfügbarkeit geeigneter Katalysatoren, die die damit verbundenen Reaktionen optimiert ablaufen lassen. Dresdner Wissenschaftler*innen haben sich nun mit der Zink-Luft-Batterie einen bekannten Batterietyp genauer angesehen. Dafür haben sie einen Katalysator entwickelt, der auf Zirkonium fußt. Damit kann das bisher am häufigsten als Katalysator eingesetzte Edelmetall Platin ersetzt und die Batterie dennoch in ein Kraftpaket verwandelt werden.

Der poröse Katalysator (rote Kugeln) beherbergt auf seiner Oberfläche dichte, katalytisch aktive Zirkoniumstellen und verbessert so die chemischen Reaktionen der Batterie, die mit der Energiespeicherung verbunden sind.
HZDR/Bernd Schröder, Minghao Yu

Der neue Katalysator verbessert die Lade- und Entladeleistung der Batterie deutlich. Er ist darüber hinaus sehr langlebig: Nach 130 Betriebsstunden hielt die Testbatterie immer noch 92 Prozent des ursprünglichen Stroms vor. „Das ist ein ausgezeichneter Wert, wenn man bedenkt, dass wir uns noch in einem frühen Stadium der Entwicklung unserer neuartigen Katalysatoren befinden“, sagt Dr. Agnieszka Kuc vom Institut für Ressourcenökologie am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). Sie forscht an den chemisch-physikalischen Eigenschaften von Batterie-Katalysatoren. Diese werden oft als Metallnanostrukturen auf geeigneten Trägermaterialien eingesetzt, wobei deren Metallatome als katalytisch aktive Stellen fungieren. Die Größe der verwendeten Metallpartikel ist dabei wichtig für die Leistungsfähigkeit solcher Katalysatoren: Erfahrungen aus der Forschung zeigen, dass die katalytische Wirksamkeit der Metallatome in der Regel zunimmt, je kleiner die sie beherbergenden Metallpartikel sind.

„Die ultimative Grenze ist der Einzelatom-Katalysator: isolierte Metallatome, die einzeln auf einem Träger verteilt sind“, erläutert Dr. Minghao Yu von der TU Dresden. Er stellt Katalysatoren her, deren Zentrum aus einzelnen Übergangsmetallatomen – wie etwa Zirkonium – bestehen, die durch benachbarte, in einer Ebene liegende Kohlenstoff- oder Stickstoffatome in einer Kohlenstoffmatrix gefangen sind. „In unserem Fall haben wir jedoch noch ein Sauerstoffatom als zusätzlichen Koordinationspartner oberhalb unseres Metalls angeordnet, was zu einer weiteren Wechselwirkung mit der elektronischen Struktur des Zirkoniums führt“, hebt Yu ein besonderes Merkmal hervor, das zu einer neuen Designstrategie für fortschrittliche Einzelatom-Katalysatoren führen könnte.

Der Katalysator soll die Auswirkungen eines Phänomens verringern, das die praktische Effizienz vieler elektrochemischer Reaktionen begrenzt: die sogenannte Überspannung, ein Maß für die Abweichung der realen Chemie in der Batteriezelle von dem, was theoretisch eigentlich erwartet werden könnte. „Das bedeutet im Grunde, dass wir weniger Energie nutzbar machen können als von der Thermodynamik vorhergesagt“, erklärt Kuc.

Knifflige Miniaturisierung

Katalysatoren verringern diese Überspannung und werden so der Schlüssel zur Effizienz der Umwandlung von chemischer in elektrische Energie. Heute sind Katalysatoren auf Platinbasis der Maßstab in der Batteriechemie kommerzieller Anwendungen. Sie haben jedoch einen Nachteil: Platin kommt nur in geringen Mengen in der Erdkruste vor und ist daher sehr teuer. Die Entwicklung neuartiger Katalysatoren auf Basis weniger edler Metalle als praktikable Alternativen war daher in den letzten Jahrzehnten ein Schwerpunkt der Forschung. Und nun präsentieren die Dresdner Forscher*innen mit dem unedlen Metall Zirkonium einen echten Rekordkandidaten.

Die Wissenschaftler*innen der DRESDEN-concept-Partner TU Dresden, Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe (MPI-CPfS) und HZDR mussten dabei eine Auswirkung der Miniaturisierung im Auge behalten: Die abnehmende Partikelgröße fördert die Zusammenballung eben jener Partikel zu kleinen Clustern. Das wiederum führt zu einer begrenzten Leistung, vor allem bei hohen Betriebsstromdichten. Die Verwendung eines geeigneten Trägermaterials, das eine starke Wechselwirkung mit dem Metall eingeht, unterbindet diese Verklumpung und schafft stabile, fein verteilte Metallcluster mit hoher katalytischer Aktivität. Mit einer gut definierten und gleichmäßigen Verteilung der Metallatome können die Katalysatoren eine hohe Aktivität und Selektivität erreichen.

„In unserem Fall haben wir unser synthetisiertes Material auf der Oberfläche von Quarzkügelchen isoliert, die eine für katalytische Prozesse vorteilhafte poröse Struktur aufweisen. Bei unserer Anordnung stellten wir eine ausgeprägte Abneigung des Zirkoniums hinsichtlich einer Zusammenballung fest, so dass wir Katalysatoren mit einer hohen Zirkoniumbeladung herstellen konnten. Damit haben wir eine rekordverdächtige Leistungsdichte unter allen bisher mit Einzelatom-Katalysatoren hergestellten Zink-Luft-Batterien erzielt“, berichtet Kuc.

Publikation:
X. Wang, Y. An, L. Liu, L. Fang, Y. Liu, J. Zhang, H. Qi, T. Heine, T. Li, A. Kuc, M. Yu, X. Feng, Atomically Dispersed Pentacoordinated-Zirconium Catalyst with Axial Oxygen Ligand for Oxygen Reduction Reaction in Angewandte Chemie, International Edition, 2022 (DOI: 10.1002/anie.202209746)

Weitere Informationen:
PD Dr. Agnieszka Beata Kuc | Prof. Thomas Heine
Institut für Ressourcenökologie am HZDR
Tel.: +49 351 260 4669 | +49 351 260 4600
E-Mail: a.kuc@hzdr.de | t.heine@hzdr.de

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E-Mail: a.kuc@hzdr.de | t.heine@hzdr.de

Originalpublikation:

X. Wang, Y. An, L. Liu, L. Fang, Y. Liu, J. Zhang, H. Qi, T. Heine, T. Li, A. Kuc, M. Yu, X. Feng, Atomically Dispersed Pentacoordinated-Zirconium Catalyst with Axial Oxygen Ligand for Oxygen Reduction Reaction in Angewandte Chemie, International Edition, 2022 (DOI: 10.1002/anie.202209746)

Weitere Informationen:

https://www.hzdr.de/presse/novel_battery_catalyst

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