Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Brennstoffzelle: Katalysator mit Selbstverteidigung gegen schädlichen Sauerstoff

12.03.2018

Schon Spuren von Sauerstoff können molekularen Katalysatoren in Brennstoffzellen den Garaus machen. Daher sind diese der Natur nachempfundenen Katalysatorsysteme, die hocheffizient und kostengünstig sind, bisher kaum anwendbar. Einem Forscherteam der Ruhr-Universität Bochum (RUB) ist es in Zusammenarbeit mit Forschern des Max-Planck-Instituts für Energiekonversion in Mülheim und einer Gruppe des Pacific Northwest National Laboratory in Washington, USA, gelungen, einen solchen Katalysator mit einem Selbstverteidigungsmechanismus gegen Sauerstoff auszustatten. Über ihre Arbeit berichten sie in Nature Communications vom 28. Februar 2018.

Alternative für teure Materialien


Die Messzelle im Labor des RUB-Teams, im Hintergrund arbeitet Mitautor Adrian Ruff.

© RUB, Marquard

Wasserstoff gilt als einer der vielversprechendsten alternativen Energieträger zur zukünftigen Energiegewinnung. Um ihn effizient nutzen zu können, etwa in mit Wasserstoff und Sauerstoff betriebenen Brennstoffzellen, werden heute vorwiegend auf Edelmetallen wie Platin basierende Katalysatoren eingesetzt, die aber nur begrenzt verfügbar und entsprechend kostspielig sind.

Eine vielversprechende Alternative sind molekulare Katalysatorsysteme, die der Natur nachempfunden sind: Bestimmte Enzyme, die Hydrogenasen, enthalten in ihrem aktiven Zentrum reichlich vorhandene und kostengünstige Metalle wie Nickel und/oder Eisen. Die Struktur molekularer Katalysatorsysteme ist dem aktiven Zentrum der Hydrogenasen angepasst.

Sauerstoff bedroht den Katalysator

Unter diesen molekularen Katalysatoren stechen vor allem die sogenannten DuBois-Katalysatoren heraus, deren aktiver Kern aus einem speziell koordinierten Nickel-Zentralatom besteht: Sie weisen sehr hohe Aktivitäten für die Wasserstoffoxidation auf, und ihre molekulare Struktur lässt sich so anpassen, dass sie in wässrigen Systemen eingesetzt und sogar direkt an Elektroden angebunden werden können.

„Letzteres ist vor allem für die Anwendung interessant, da die Immobilisierung solcher Katalysatoren auf der Oberfläche einer Brennstoffzellenelektrode deren Leistung deutlich erhöht“, erklärt Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann vom RUB-Lehrstuhl für Analytische Chemie.

Nachteil solcher Katalysatoren ist, dass sie sehr empfindlich gegenüber Sauerstoff sind, weswegen man sie in technologisch relevanten Anwendungen bisher kaum einsetzen kann. Ebenfalls sauerstoffempfindliche biologische Hydrogenasen konnten Forscher bereits mit speziell entwickelten Polymeren vor Sauerstoff schützen. Die Polymere erlaubten es, den schädlichen Sauerstoff zu reduzieren, bevor dieser das immobilisierte Enzym irreversibel schädigen konnte. Das ist dem Forscherteam nun auch mit DuBois-Katalysatoren gelungen.

Ein Polymer als Schutzschicht

Dabei setzten sie ein wasserabweisendes Polymer, das an der RUB entwickelt wurde, als Immobilisierungsmatrix für den Nickel-Komplex-Katalysator ein. Das erlaubt es, zwei voneinander getrennte Reaktionszonen auf der Elektrodenoberfläche aufzubauen, die zum einen die hocheffiziente Oxidation von Wasserstoff im Inneren direkt auf der Elektrodenoberfläche erlaubt, und zum anderen einen Schutz gegenüber Sauerstoff an der äußeren Grenze zwischen Polymer und dem Elektrolyten in der Brennstoffzelle bereitstellt.

Keine Elektronen verschwenden

„Das Besondere daran ist, dass der Katalysator selbst den Schutzmechanismus bereitstellt und Sauerstoff mit Elektronen, die aus der Wasserstoffoxidation gewonnen werden, direkt an der äußeren Polymerschicht reduziert und somit unschädlich macht“, erklärt Wolfgang Schuhmann.

Dieser Prozess ist möglich, da das verwendete Polymer einen direkten Kontakt der in der äußeren Schicht befindlichen Nickel-Katalysatoren mit der Elektrode unterbindet. Somit können alle Elektronen für den Schutz gegen Sauerstoff eingesetzt werden.

Umgekehrt verhindert das Polymer, dass die innere wasserstoffoxidierende Schicht Elektronen an die Schutzschicht abgibt und somit die gewonnenen Elektronen aus der Wasserstoffoxidation an die Sauerstoffreduktion verschwendet werden.

Die so aufgebauten Elektroden zeigten eine exzellente Langzeitstabilität und für Brennstoffzellen erwünschte hohe Stromdichten und stellen somit eine echte Alternative für den Aufbau von nachhaltigen, stabilen und kostengünstigen Energieumwandlungssystemen dar.

Originalveröffentlichung

Alaa A. Oughli, Adrian Ruff, Nilusha Priyadarshani Boralugodage, Patricia Rodríguez-Maciá, Nicolas Plumeré, Wolfgang Lubitz, Wendy J. Shaw, Wolfgang Schuhmann, Olaf Rüdiger: Dual properties of a hydrogen oxidation Ni-catalyst entrapped within a polymer promote self-defense against oxygen, in: Nature Communications, 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-03011-7, https://www.nature.com/articles/s41467-018-03011-7

Pressekontakt

Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann
Lehrstuhl für Analytische Chemie
Fakultät für Chemie und Biochemie
Ruhr-Universität Bochum
Tel.: 0234 32 26200
E-Mail: wolfgang.schuhmann@rub.de

Weitere Informationen:

https://www.nature.com/articles/s41467-018-03011-7 - Originalveröffentlichung

Meike Drießen | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.ruhr-uni-bochum.de/
http://news.rub.de/presseinformationen/wissenschaft/2018-03-12-brennstoffzelle-katalysator-mit-selbstverteidigung-gegen-schaedlichen-sauerstoff

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht In Form bleiben
16.08.2018 | Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik

nachricht Intelligente Fluoreszenzfarbstoffe
16.08.2018 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Eisen und Titan in der Atmosphäre eines Exoplaneten entdeckt

Forschende der Universitäten Bern und Genf haben erstmals in der Atmosphäre eines Exoplaneten Eisen und Titan nachgewiesen. Die Existenz dieser Elemente in Gasform wurde von einem Team um den Berner Astronomen Kevin Heng theoretisch vorausgesagt und konnte nun von Genfern Astronominnen und Astronomen bestätigt werden.

Planeten in anderen Sonnensystemen, sogenannte Exoplaneten, können sehr nah um ihren Stern kreisen. Wenn dieser Stern viel heisser ist als unsere Sonne, dann...

Im Focus: Magnetische Antiteilchen eröffnen neue Horizonte für die Informationstechnologie

Computersimulationen zeigen neues Verhalten von Antiskyrmionen bei zunehmenden elektrischen Strömen

Skyrmionen sind magnetische Nanopartikel, die als vielversprechende Kandidaten für neue Technologien zur Datenspeicherung und Informationsverarbeitung gelten....

Im Focus: Unraveling the nature of 'whistlers' from space in the lab

A new study sheds light on how ultralow frequency radio waves and plasmas interact

Scientists at the University of California, Los Angeles present new research on a curious cosmic phenomenon known as "whistlers" -- very low frequency packets...

Im Focus: Neue interaktive Software: Maschinelles Lernen macht Autodesigns aerodynamischer

Neue Software verwendet erstmals maschinelles Lernen um Strömungsfelder um interaktiv designbare 3D-Objekte zu berechnen. Methode wird auf der renommierten SIGGRAPH-Konferenz vorgestellt

Wollen Ingenieure oder Designer die aerodynamischen Eigenschaften eines neu gestalteten Autos, eines Flugzeugs oder anderer Objekte testen, lassen sie den...

Im Focus: New interactive machine learning tool makes car designs more aerodynamic

Scientists develop first tool to use machine learning methods to compute flow around interactively designable 3D objects. Tool will be presented at this year’s prestigious SIGGRAPH conference.

When engineers or designers want to test the aerodynamic properties of the newly designed shape of a car, airplane, or other object, they would normally model...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Aktuelles aus der Magnetischen Resonanzspektroskopie

16.08.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Oktober 2018

16.08.2018 | Veranstaltungen

Das Architekturmodell in Zeiten der Digitalen Transformation

14.08.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Schatzkammer Datenbank: Digitalisierte Schwingfestigkeitskennwerte sparen Entwicklungszeit

16.08.2018 | Informationstechnologie

Interaktive Software erleichtert Design komplexer Gussformen

16.08.2018 | Informationstechnologie

Fraunhofer HHI entwickelt Quantenkommunikation für jedermann im EU-Projekt UNIQORN

16.08.2018 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics