Die Suche nach kosteneffizienten und umweltfreundlichen Alternativen zu herkömmlichen Katalysatoren ist in der Energie- und Materialforschung von zentraler Bedeutung. Eine vielversprechende Entwicklung in diesem Bereich sind Eisen-Stickstoff-Kohlenstoff-Katalysatoren, die das Potenzial haben, die derzeit teuren Platinkatalysatoren in Brennstoffzellen zu ersetzen. Eine aktuelle Studie, die von einem interdisziplinären Team des Helmholtz-Zentrums Berlin, der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt sowie den Universitäten Tartu und Tallinn durchgeführt wurde, beleuchtet die Möglichkeiten dieser neuen Katalysatormaterialien. Insbesondere wird der Einsatz von gut zersetztem Torf als Rohstoff für die Herstellung dieser Katalysatoren hervorgehoben.
Brennstoffzellen sind bekannt für ihre Fähigkeit, chemische Energie von Wasserstoff direkt in elektrische Energie umzuwandeln, wobei als einziges Nebenprodukt Wasser entsteht. Diese Technologie könnte eine Schlüsselrolle in der Schaffung eines klimaneutralen Energiesystems spielen. Der größte Fortschritt in der Brennstoffzellentechnologie könnte durch die Senkung der Kosten erreicht werden, die vor allem durch den Ersatz der derzeit verwendeten Edelmetallkatalysatoren, insbesondere Platin, erzielt werden kann. Kohlenstoffbasierte Katalysatoren, die zusätzlich Eisen und Stickstoff enthalten, stellen eine vielversprechende Alternative dar, insbesondere in Anionenaustauschmembran-Brennstoffzellen.
Die Forscher der Studie nutzten gut zersetzten Torf, der reich an Kohlenstoff ist, um Katalysatormaterialien zu entwickeln. Diese Materialien sind nicht nur kostengünstig, sondern auch umweltfreundlich. Die Struktur dieser Katalysatoren ist entscheidend für ihre Funktionalität. Gute Katalysatoren verfügen über eine hochporöse Struktur, die es Wasserstoff- und Sauerstoffatomen ermöglicht, durch die Poren zu diffundieren und die aktiven Katalysezentren zu erreichen. Diese Gänge in der Mikrostruktur sind vergleichbar mit den Wegen in einem Ameisenbau und sorgen dafür, dass auch das entstehende Wasser effizient abtransportiert werden kann.
Rutha Jäger, die Hauptautorin der Studie, erklärt, dass durch gezielte Veränderungen der hierarchischen Strukturen im Katalysatormaterial, wie beispielsweise der Größe und Dicke der Porenwände, unterschiedliche Materialeigenschaften erzeugt werden können. Die Forschungsfrage war, warum ein bestimmter Fe-N-C-Elektrokatalysator eine so außergewöhnliche Effizienz und Selektivität aufwies, während andere Varianten weniger erfolgreich waren. Um dies zu klären, wurden die strukturellen Eigenschaften der Katalysatoren an der Röntgenstrahlungsquelle BESSY II untersucht.
Die Forschungsteams führten eine systematische Studie durch, bei der fünf verschiedene Proben bei unterschiedlichen Temperaturen zwischen 800 und 1000 Grad Celsius synthetisiert wurden. Diese Proben wurden umfassend charakterisiert, um die Porenstruktur und die Verteilung der aktiven Zentren zu bestimmen. Mithilfe von Kleinwinkel-Röntgenstreuung konnten die Wissenschaftler 13 Strukturparameter identifizieren, die die katalytische Leistung beeinflussen, darunter Porosität, Unordnung und die Krümmung der Poren.
Ein wichtiges Ergebnis der Untersuchung war, dass eine Porenkrümmung von mindestens drei Nanometern optimal für die Reduktion von Sauerstoff zu Wasser ist, da sie auch die Bildung von unerwünschtem Wasserstoffperoxid minimiert. Diese Erkenntnisse ermöglichen es, die strukturellen Feinheiten, die die elektrochemischen Reaktionen begünstigen, besser zu verstehen. Jäger betont, dass die Studie nicht nur das grundlegende Verständnis der elektrochemischen Prozesse erweitert, sondern auch praktische Anwendungen zur Verbesserung der Katalysatorleistung aufzeigt.
Insgesamt bietet die Verwendung von gut zersetztem Torf zur Synthese von Fe-N-C Katalysatoren nicht nur eine kostengünstige, sondern auch nachhaltige Lösung für die Herausforderungen der Brennstoffzellentechnologie. Die Ergebnisse dieser Forschungsarbeit zeigen, dass es möglich ist, die Systemkosten zu senken und gleichzeitig die Umweltfreundlichkeit der Katalysatoren zu erhöhen. Die Entwicklung solcher innovativen Materialien könnte einen entscheidenden Beitrag zur Effizienz und Akzeptanz von Brennstoffzellen in der zukünftigen Energieversorgung leisten.
