q&more
Meine Merkliste
my.chemie.de  
Login  

News

Katalysator mit Selbstverteidigung gegen schädlichen Sauerstoff

So könnten günstige und effiziente Brennstoffzellen möglich werden

© RUB, Marquard

Die Messzelle im Labor des RUB-Teams, im Hintergrund arbeitet Mitautor Adrian Ruff.

14.03.2018: Schon Spuren von Sauerstoff können molekularen Katalysatoren in Brennstoffzellen den Garaus machen. Daher sind diese der Natur nachempfundenen Katalysatorsysteme, die hocheffizient und kostengünstig sind, bisher kaum anwendbar. Einem Forscherteam der Ruhr-Universität Bochum (RUB) ist es in Zusammenarbeit mit Forschern des Max-Planck-Instituts für Energiekonversion in Mülheim und einer Gruppe des Pacific Northwest National Laboratory in Washington, USA, gelungen, einen solchen Katalysator mit einem Selbstverteidigungsmechanismus gegen Sauerstoff auszustatten.

Alternative für teure Materialien

Wasserstoff gilt als einer der vielversprechendsten alternativen Energieträger zur zukünftigen Energiegewinnung. Um ihn effizient nutzen zu können, etwa in mit Wasserstoff und Sauerstoff betriebenen Brennstoffzellen, werden heute vorwiegend auf Edelmetallen wie Platin basierende Katalysatoren eingesetzt, die aber nur begrenzt verfügbar und entsprechend kostspielig sind.

Eine vielversprechende Alternative sind molekulare Katalysatorsysteme, die der Natur nachempfunden sind: Bestimmte Enzyme, die Hydrogenasen, enthalten in ihrem aktiven Zentrum reichlich vorhandene und kostengünstige Metalle wie Nickel und/oder Eisen. Die Struktur molekularer Katalysatorsysteme ist dem aktiven Zentrum der Hydrogenasen angepasst.

Sauerstoff bedroht den Katalysator

Unter diesen molekularen Katalysatoren stechen vor allem die sogenannten DuBois-Katalysatoren heraus, deren aktiver Kern aus einem speziell koordinierten Nickel-Zentralatom besteht: Sie weisen sehr hohe Aktivitäten für die Wasserstoffoxidation auf, und ihre molekulare Struktur lässt sich so anpassen, dass sie in wässrigen Systemen eingesetzt und sogar direkt an Elektroden angebunden werden können. „Letzteres ist vor allem für die Anwendung interessant, da die Immobilisierung solcher Katalysatoren auf der Oberfläche einer Brennstoffzellenelektrode deren Leistung deutlich erhöht“, erklärt Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann vom RUB-Lehrstuhl für Analytische Chemie.

Nachteil solcher Katalysatoren ist, dass sie sehr empfindlich gegenüber Sauerstoff sind, weswegen man sie in technologisch relevanten Anwendungen bisher kaum einsetzen kann. Ebenfalls sauerstoffempfindliche biologische Hydrogenasen konnten Forscher bereits mit speziell entwickelten Polymeren vor Sauerstoff schützen. Die Polymere erlaubten es, den schädlichen Sauerstoff zu reduzieren, bevor dieser das immobilisierte Enzym irreversibel schädigen konnte. Das ist dem Forscherteam nun auch mit DuBois-Katalysatoren gelungen.

Ein Polymer als Schutzschicht

Dabei setzten sie ein wasserabweisendes Polymer, das an der RUB entwickelt wurde, als Immobilisierungsmatrix für den Nickel-Komplex-Katalysator ein. Das erlaubt es, zwei voneinander getrennte Reaktionszonen auf der Elektrodenoberfläche aufzubauen, die zum einen die hocheffiziente Oxidation von Wasserstoff im Inneren direkt auf der Elektrodenoberfläche erlaubt, und zum anderen einen Schutz gegenüber Sauerstoff an der äußeren Grenze zwischen Polymer und dem Elektrolyten in der Brennstoffzelle bereitstellt.

Keine Elektronen verschwenden

„Das Besondere daran ist, dass der Katalysator selbst den Schutzmechanismus bereitstellt und Sauerstoff mit Elektronen, die aus der Wasserstoffoxidation gewonnen werden, direkt an der äußeren Polymerschicht reduziert und somit unschädlich macht“, erklärt Wolfgang Schuhmann. Dieser Prozess ist möglich, da das verwendete Polymer einen direkten Kontakt der in der äußeren Schicht befindlichen Nickel-Katalysatoren mit der Elektrode unterbindet. Somit können alle Elektronen für den Schutz gegen Sauerstoff eingesetzt werden.

Umgekehrt verhindert das Polymer, dass die innere wasserstoffoxidierende Schicht Elektronen an die Schutzschicht abgibt und somit die gewonnenen Elektronen aus der Wasserstoffoxidation an die Sauerstoffreduktion verschwendet werden.

Die so aufgebauten Elektroden zeigten eine exzellente Langzeitstabilität und für Brennstoffzellen erwünschte hohe Stromdichten und stellen somit eine echte Alternative für den Aufbau von nachhaltigen, stabilen und kostengünstigen Energieumwandlungssystemen dar.

Originalveröffentlichung:
Alaa A. Oughli, Adrian Ruff, Nilusha Priyadarshani Boralugodage, Patricia Rodríguez-Maciá, Nicolas Plumeré, Wolfgang Lubitz, Wendy J. Shaw, Wolfgang Schuhmann, Olaf Rüdiger; "Dual properties of a hydrogen oxidation Ni-catalyst entrapped within a polymer promote self-defense against oxygen"; Nature Communications; 2018

Mehr über Ruhr-Universität Bochum

  • News

    Wie Nervenzellen fehlgefaltete Proteine kontrollieren

    Die Huntington-, Parkinson- und weitere Erkrankungen gehen mit der Fehlfaltung und Aggregation von Proteinen einher. Forscher haben einen Mechanismus entdeckt, wie sich Zellen schützen – ein Ansatz für die Therapie. Forscher haben einen Proteinkomplex identifiziert, der fehlgefaltete Protei ... mehr

    Mit mechanischer Kraft Biomasse umwandeln

    Eine der größten globalen Herausforderungen ist es derzeit, erneuerbare Quellen effizient einzusetzen, um in Zukunft den steigenden Bedarf an Energie und Chemikalien abzudecken. Biomasse ist dabei eine vielversprechende Alternative zu den bisherigen fossilen Quellen wie Kohle oder Erdöl. De ... mehr

    Nächster Schritt auf dem Weg zu einer effizienten Biobrennstoffzelle

    Brennstoffzellen, die mit dem Enzym Hydrogenase arbeiten, sind prinzipiell genauso effizient wie solche, die das teure Edelmetall Platin als Katalysator enthalten. Allerdings brauchen die Enzyme eine wässrige Umgebung, und durch diese gelangt der Ausgangsstoff für die Reaktion – Wasserstoff ... mehr

  • q&more Artikel

    Vibrationsspektroskopie - Labelfreies Imaging

    Spektroskopische Methoden erlauben heute mit bisher unerreichter räumlicher und zeitlicher Auflösung tiefe Einblicke in die Funktionsweise biologischer Systeme. Neben der bereits sehr gut etablierten Fluoreszenzspektroskopie wird in den letzten Jahren das große Potenzial der labelfreien Vib ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Klaus Gerwert

    Jg. 1956, studierte Physik in Münster und promovierte 1985 in biophysikalischer Chemie in Freiburg. Nach Stationen am Max-Planck-Institut für Molekulare Physiologie in Dortmund und am Scripps Research Institute in La Jolla, USA erhielt er 1993 einen Ruf auf die C4-Professur für Biophysik ... mehr

q&more – die Networking-Plattform für exzellente Qualität in Labor und Prozess

q&more verfolgt den Anspruch, aktuelle Forschung und innovative Lösungen sichtbar zu machen und den Wissensaustausch zu unterstützen. Im Fokus des breiten Themenspektrums stehen höchste Qualitätsansprüche in einem hochinnovativen Branchenumfeld. Als moderne Wissensplattform bietet q&more den Akteuren im Markt einzigartige Networking-Möglichkeiten. International renommierte Autoren repräsentieren den aktuellen Wissenstand. Die Originalbeiträge werden attraktiv in einem anspruchsvollen Umfeld präsentiert und deutsch und englisch publiziert. Die Inhalte zeigen neue Konzepte und unkonventionelle Lösungsansätze auf.

> mehr zu q&more

q&more wird unterstützt von:



Ihr Bowser ist nicht aktuell. Microsoft Internet Explorer 6.0 unterstützt einige Funktionen auf Chemie.DE nicht.