Torf statt Platin: Neue Katalysatoren für Brennstoffzellen

Eisen-Stickstoff-Kohlenstoff-Katalysatoren haben das Potenzial, teure Platinkatalysatoren in Brennstoffzellen zu ersetzen. Dies zeigt eine Studie aus Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und der Universitäten in Tartu und Tallinn, Estland. An BESSY II beobachtete das Team, wie sich komplexe Mikrostrukturen in den Proben bilden. Anschließend analysierten sie, welche Strukturparameter für die Förderung der bevorzugten elektrochemischen Reaktionen besonders wichtig waren. Der Rohstoff für solche Katalysatoren ist gut zersetzter Torf.

Brennstoffzellen wandeln die chemische Energie von Wasserstoff direkt in elektrische Energie um und produzieren dabei nur Wasser. Sie könnten ein wichtiger Baustein in einem klimaneutralen Energiesystems werden. Das größte Verbesserungspotenzial liegt in der Kostensenkung durch den Ersatz der Elektrokatalysatoren, die derzeit auf dem Edelmetall Platin basieren.

Kohlenstoffbasierte Katalysatoren, die Eisen und Stickstoff enthalten, sind dafür eine sehr interessante Option. Sie können in Anionenaustauschmembran-Brennstoffzellen eingesetzt werden. Die Kombination von Kohlenstoff, Stickstoff und Eisen findet sich beispielsweise in gut zersetztem Torf aus Estland. Durch ihre hohe Porosität können Wasserstoff- und Sauerstoffatome in diesen Materialien wandern, um die katalytisch aktiven Stellen zu erreichen, an denen die gewünschten Reaktionen stattfinden. Auch das Endprodukt, Wasser, wird auf diese Weise abtransportiert. Durch das Verändern der hierarchischen Strukturen im Katalysatormaterial, also beispielsweise Größe und Dicke der Porenwände, können Materialien mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften hergestellt werden.

Mit Hilfe der Kleinwinkel-Röntgenstreuung an BESSY II untersuchte das Forschungsteam die wichtigsten strukturellen Eigenschaften: hierarchische Porosität, strukturelle Unordnung und den Wechselwirkungsabstand zwischen aktiven Zentren innerhalb der Poren, welche mit anderen Methoden schwer direkt zu messen sind.

Anstatt sich auf Trial-and-Error zu verlassen, entwarf das Team eine systematische Studie. Fünf Proben wurden gleichzeitig bei unterschiedlichen Synthesetemperaturen von 800 bis 1000 °C synthetisiert, um die Poren- und Porenwandstruktur systematisch zu variieren. Diese Proben wurden zusammen mit einem handelsüblichen Katalysator an BESSY II mittels anomaler Kleinwinkel-Röntgenstreuung (ASAXS) und konventioneller SAXS charakterisiert, um ihre Porenstruktur und die Verteilung der aktiven Zentren zu bestimmen. Anschließend wurden die Materialien als Katalysatoren für die Sauerstoffreduktionsreaktion getestet, um einen empirischen Zusammenhang zwischen den strukturellen Merkmalen und der elektrochemischen Leistung herzustellen. Aus den Röntgenuntersuchungen leitete das Team 13 Strukturparameter ab, die die katalytische Leistung beeinflussen, darunter Porosität, Unordnung und Porenkrümmung.

Ein Ergebnis ist, dass bei einer Porenkrümmung von mindestens drei Nanometern die Reduktion von Sauerstoff zu Wasser am besten funktioniert und auch die Bildung von problematischem Wasserstoffperoxid minimiert wird. Da Fe-N-C aus gut zersetztem Torf synthetisiert werden kann, ist das Material wirklich umweltfreundlich. Die Ergebnisse zeigen einen Weg auf, der die Systemkosten senken und die Nachhaltigkeit verbessern kann.