Wie Katalysatoren für Brennstoffzellen funktionieren
Ein wichtiger Fakt vorweg: Anders als bei Verbrennungsmotoren dienen Katalysatoren bei Brennstoffzellen nicht der Abgasreinigung, sondern vielmehr der Energieerzeugung. Denn im Gegensatz zu einem Verbrennungsmotor wird Wasserstoff in einer Brennstoffzelle nicht verbrannt, sondern vielmehr in elektrischen Strom umgewandelt. Und genau dabei werden Katalysatoren eingesetzt, um das Verfahren zu beschleunigen.
Die entscheidenden Reaktionen an Anode (hier wird Wasserstoff in Protonen und Elektronen aufgespalten) und Kathode (hier reagieren Sauerstoff, Protonen und Elektronen zu Wasser) laufen von selbst nur sehr langsam ab. Katalysatoren beschleunigen diese Prozesse und machen sie technisch nutzbar. Ohne sie gäbe es praktisch keinen Strom aus der Brennstoffzelle.
Jedoch sind die elektrochemischen Prozesse, die sich bei Katalysatoren in Brennstoffzellen abspielen, bislang noch relativ unerforscht. Und genau hier setzte das Fritz-Haber-Institut an und untersuchte systematisch und unter industriell relevanten Bedingungen, wie die Aktivität vier verschiedener Brennstoffzellenkatalysatoren von Spannung und Druck abhängt.
Dabei zeigte sich, dass die Katalysatoraktivität nicht auf einen einzigen limitierenden Reaktionsschritt zurückgeführt werden kann (also eine Art Flaschenhalseffekt), sondern durch verschiedene reaktionsbestimmende Schritte in Abhängigkeit von der angelegten Spannung gesteuert wird.
Dr. Sebastian Öner, Leiter des Forschungsteams, erläutert: „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.”
Mit anderen Worten: Die neuen Erkenntnisse liefern kein fertiges neues Produkt, aber sie verändern das Grundverständnis der zentralen Reaktion in Brennstoffzellen. Damit schaffen sie eine bessere Basis für Materialforschung, Simulationen und industrielle Entwicklung. Die Ergebnisse des Instituts könnten in der Folge zum Beispiel helfen, reale Betriebsbedingungen besser zu berücksichtigen, Katalysatoren gezielter zu entwickeln den Platinbedarf für Katalysatoren zu senken und Brennstoffzellen robuster und langlebiger zu machen.
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