Pulverförmige Katalysatoren auf Elektroden fixieren
Neue Technik könnte für die Wasserstoffproduktion interessant sein
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Für eine industrielle Anwendung müssen Katalysatoren über Jahre hinweg ihre Arbeit verrichten. Diese neue Methode könnte dabei helfen.
Das Team vom Bochumer Zentrum für Elektrochemie: Stefan Barwe, Dr. Corina Andronescu, Sandra Möller, Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann und Dr. Justus Masa (von links nach rechts). Mit der am Lehrstuhl selbst gebauten Apparatur im Hintergrund können die Wissenschaftler bis zu zehn Katalysatortests gleichzeitig laufen lassen. Das ermöglicht auch Langzeitanalysen, ohne den gesamten Versuchsstand für andere Messungen zu blockieren.
© RUB, Kramer
Chemiker der Ruhr-Universität Bochum haben einen neuen Weg gefunden, um pulverförmige Katalysatoren stabil auf Elektroden zu befestigen. Das war bislang ein Problem, wenn sich die Elektroden während der chemischen Reaktion bei starker Gasentwicklung in einer alkalischen Lösung befanden. Die neue Technik könnte zum Beispiel für die Wasserstoffproduktion interessant sein. Das Team um Dr. Corina Andronescu, Stefan Barwe und Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann vom Bochumer Zentrum für Elektrochemie berichtet in der International Edition der Zeitschrift Angewandte Chemie.
„Bei der Synthese von Katalysatoren möchte man Nanopartikel herstellen, um eine möglichst große Oberfläche zu erhalten“, erklärt Wolfgang Schuhmann. Dieses Pulver auf der Elektrodenoberfläche langzeitstabil zu befestigen ist eine Herausforderung. Für Elektroden, die in saurem Milieu arbeiten, gibt es geeignete Bindemittel. Diese werden häufig auch für alkalische Umgebungen genutzt; aber sie sind nicht leitfähig und erweisen sich als instabil. Daher können viele pulverförmige Katalysatoren, die industriell interessant sein könnten, bislang nicht genutzt werden, weil ein geeignetes Bindemittel fehlt.
Polymer wird zu Kohle
Das Bochumer Team hat eine neue Methode vorgeschlagen, mit der sich Nanopartikel-Katalysatoren langfristig stabil an Metalloberflächen binden lassen. Sie nutzten ein bestimmtes organisches Polymer, nämlich ein Polybenzoxazin, das bei Temperaturen um die 500 Grad Celsius zu Kohle wird. Dieses Polymer trugen sie gemeinsam mit dem pulverförmigen Katalysator auf die Oberfläche einer Nickel-Elektrode auf und erhitzten diese anschließend stark. Das Polymer verwandelte sich dabei in eine leitfähige Kohlenstoffmatrix mit eingelagertem Katalysator, die fest mit der Elektrode verbunden war.
Der Trick war die Wahl eines geeigneten Polymers. Polybenzoxazin ist sehr hitzebeständig und zieht sich bei hohen Temperaturen kaum zusammen. Es verbrennt beim Erhitzen in Abwesenheit von Sauerstoff nicht vollständig, sondern wird zu einem großen Teil in Kohle verwandelt.
Einfach zu fertigen
„Wir gehen davon aus, dass sich unsere Methode auch in industriellem Maßstab einsetzen lassen würde – auch wenn das natürlich noch getestet werden muss. Die nötigen Verfahren sind bereits etabliert“, erklärt Schuhmann. Prinzipiell brauche man keine andere Technik als für das Lackieren einer Autotür. „Ein Gemisch aus Katalysator und Polymer kann auf die Elektrodenoberfläche aufgesprüht werden, und dann kommt das Produkt in den Ofen“, so der Bochumer Forscher. In kleinem Maßstab testet das Team am Zentrum für Elektrochemie diese Fertigungsmethode bereits.
Originalveröffentlichung
Corina Andronescu, Stefan Barwe, Edgar Ventosa, Justus Masa, Eugeniu Vasile, Bharathi Konkena, Sandra Möller, Wolfgang Schuhmann; "Powder catalyst fixation for post-electrolysis structural characterisation of NiFe layered double hydroxide based oxygen evolution reaction electrocatalysts"; Angewandte Chemie International Edition; 2017
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