Neuartiger Katalysator mit zwei Funktionen: Hoffnung auf günstigere Brennstoffzellen

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“.

Von Elektrolyse auf Verbrennung umschalten

Die sogenannten bifunktionalen Katalysatoren können Wasser unter Zufuhr von Energie in Wasserstoff und Sauerstoff spalten – Elektrolyse genannt – 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.

Katalysatoren auf Kohlenstoffbasis

Die neuartigen Bochumer Katalysatoren bestehen aus Manganoxid- oder Cobaltoxid-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.

„Bestechend einfach“ herzustellen

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“, sagt Martin Muhler. Die Produktion wäre daher im Vergleich zu Katalysatoren auf Edelmetallbasis sehr günstig.

Förderung

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

Weitere Informationen

Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann, Analytische Chemie – Elektroanalytik & Sensorik, Fakultät für Chemie und Biochemie der Ruhr-Universität, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-26200, E-Mail: wolfgang.schuhmann@rub.de

Prof. Dr. Martin Muhler, Technische Chemie, Fakultät für Chemie und Biochemie der Ruhr-Universität, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-28754, E-Mail: muhler@techem.rub.de

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Cover von „Angewandte Chemie“
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201405941/pdf