Katalysatoren für Brennstoffzellen verstehen
Studie stößt Paradigmenwechsel in der Elektrokatalyse-Forschung an
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Forschende des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft haben neue, grundlegende Erkenntnisse zur Funktionsweise von Katalysatoren gewonnen, die in Brennstoffzellen eingesetzt werden. Die in Nature Communications veröffentlichte Studie zeigt, wie mehrere Reaktionsschritte bei der Umwandlung von Sauerstoff (O2) in Wasser (H2O) die gesamte Kinetik der Katalysatoren beeinflussen und welche Rolle hier Veränderungen an der Grenzfläche zwischen Katalysator und Lösung spielen. Die Untersuchung leistet einen wichtigen Beitrag zum Verständnis mehrstufiger elektrokatalytischer Reaktionen.
Schematische Darstellung einer Brennstoffzelle und der untersuchten elektrochemischen Prozesse.
Copyright: © FHI
Die Aktivität von Katalysatoren
Katalysatoren sind für unsere zukünftige Energieversorgung unverzichtbar. Sie werden beispielsweise in Brennstoffzellen eingesetzt, die Schwerlast- und Langstreckentransporte antreiben können. Ein tiefgreifendes Verständnis von Elektrokatalysatoren für Brennstoffzellen und deren kontinuierliche Weiterentwicklung sind unerlässlich, um diese Technologie für den täglichen Gebrauch fit zu machen.
Die Abteilung für Grenzflächenwissenschaft am Fritz-Haber-Institut hat bedeutende Fortschritte beim Verständnis der Funktionsweise von Brennstoffzellenkatalysatoren unter industriell relevanten Bedingungen erzielt. Diese Ergebnisse sind entscheidend für die Weiterentwicklung elektrochemischer Technologien und liefern grundlegende Erkenntnisse über mehrstufige elektrokatalytische Reaktionen.
Eine kinetische Kaskade
Die aktuelle Studie wurde von Dr. Silva und Jody Druce in der Gruppe um Dr. Öner von der Abteilung Grenzflächenwissenschaft unter der Leitung von Prof. Dr. Beatriz Roldán Cuenya durchgeführt wurde und untersucht, wie die angelegte elektrische Überspannung und der O2-Druck die Kinetik der Sauerstoffreduktionsreaktion (oxygen reduction reaction, ORR) von vier verschiedenen Katalysatoren in einer Brennstoffzelle verändern. Sie entdeckten eine sehr ausgeprägte Abhängigkeit der Reaktionskinetik von der Überspannung, wobei die Katalysatoraktivität nicht durch einen einzigen geschwindigkeitsbestimmenden Schritt begrenzt wird, sondern durch verschiedene Reaktionsschritte an der Grenzfläche zwischen Katalysator und Lösung, die selbst spannungsabhängigen Veränderungen unterliegt.
Technische Erkenntnisse
Dr. Öner erklärt: „Die traditionelle Ansicht in der Fachwelt ist, dass mehrstufige Reaktionen in der Regel auf einen einzelnen geschwindigkeitsbestimmenden Zwischenschritt zurückgeführt werden können - oder, technisch ausgedrückt, dass der Grad der Geschwindigkeitskontrolle dieses Schritts gleich eins ist.“ Die Forschenden entdeckten nun aber, dass sich die geschwindigkeitsbestimmenden Schritte und somit die Geschwindigkeitskontrolle in Abhängigkeit von der Überspannung und dem Druck verändern. Dr. Öner betont, dass die Studie einen Paradigmenwechsel in der Forschung im Bereich der Elektrokatalyse anstößt. „In den letzten Jahrzehnten haben Forschende häufig Analysen und Theorien angewendet, die auf der Annahme basieren, dass es einen einzigen geschwindigkeitsbestimmenden Reaktionsschritt gibt. Unsere Arbeit bricht mit dieser Tradition. Wir bieten hier einen kinetischen Rahmen für die Analyse von Operando-Spektroskopie und -Mikroskopie, mit denen seit Jahrzehnten spannungsabhängige strukturelle und chemische Veränderungen untersucht werden. Eine zentrale Frage ist, wie die überpotential- und druckabhängigen dynamischen, mikroskopischen Eigenschaften das gesamte Ensemble beeinflussen, was letztlich die Aktivierungsparameter definiert. Unsere Ergebnisse setzen hier neue Impulse für die zukünftige Forschung.”
Schlussfolgerung und Ausblick
Prof. Dr. Beatriz Roldán Cuenya betont, wie wichtig es ist, die überspannungs- und druckabhängigen chemischen und strukturellen Veränderungen an der Grenzfläche zwischen Katalysator und Lösung mit den Aktivierungsparametern zu verknüpfen.
Die neuen Erkenntnisse verbessern nicht nur unser Verständnis der Katalysatoraktivität, sondern auch insgesamt die Perspektiven für die Weiterentwicklung von Technologien zur Energieumwandlung. Das Forschungsteam will seine Untersuchungen ausbauen, um weitere grundlegende Erkenntnisse im Bereich Energie- und Stoffumwandlung zu gewinnen.
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