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Materialmanipulation für umweltschonende Batterien |
 Chemiker der Universität Paderborn und der Technischen Universität Dresden haben zusammen mit einem internationalen Wissenschaftlerteam nachhaltige Sauerstoff-Elektrokatalysatoren für den Einsatz in umweltschonenden Zink-Luft-Batterien untersucht. Bislang werden dafür Materialien wie Edelmetalle verarbeitet, die Unzulänglichkeiten in Bezug auf Vorkommen und Kosten sowie elektrochemische und katalytische Kapazitäten aufweisen. Die Forscher haben deshalb eine bestimmte Phosphor-Variante so präpariert, dass sie die Reaktionsleistung der für die Batterie notwendigen Sauerstoffentwicklung deutlich steigern konnten – ohne dafür Edelmetalle einzusetzen. Damit haben sie gleichzeitig den ersten sogenannten bifunktionalen phosphorbasierten metallfreien Sauerstoff-Katalysator entwickelt.
„Wiederaufladbare Zink-Luft-Batterien zählen aktuell zu den
vielversprechendsten Energietechnologien. Elektrokatalysatoren sind
dabei für die Sauerstoff-Evolutionsreaktion und die
Sauerstoff-Reduktionsreaktion verantwortlich, sie steuern den
Lade-/Entlademechanismus. Man spricht deshalb auch von bifunktionalen
Prozessen“, erklärt Mitautorin Dr. Ramya Kormath Madam Raghupathy,
Postdoc-Stipendiatin im Arbeitskreis „Theoretische Chemie“ von Prof. Dr.
Thomas Kühne an der Universität Paderborn. Metallfreie Katalysatoren,
zu denen der in den Studien eingesetzte Phosphor gehört, sind deshalb so
attraktiv, weil dabei kostengünstige und ressourcenreiche Elemente
verwendet werden. „In jüngster Zeit hat sich insbesondere schwarzer
Phosphor aufgrund seiner guten Eigenschaften wie z. B der hohen
Ladungsträgerbeweglichkeit als geeignetes Material
herauskristallisiert“, so Kormath Madam Raghupathy weiter.
Die
Wissenschaftler haben durch kovalente Bindung – also die atomare Bindung
zwischen Nichtmetallen – von Phosphor mit graphitischem
Kohlenstoffnitrid den ersten metallfreien bifunktionalen
Sauerstoff-Elektrokatalysator entwickelt. Dazu Kormath Madam Raghupathy:
„Die hohe Sauerstoff-Evolutionsreaktion übertrifft alle bisherigen
metallfreien Katalysatoren auf Phosphor-Basis. Wir konnten mithilfe von
experimentellen Studien und Berechnungen die entscheidende Rolle der
Grenzflächen-Bindungen bei der Regulierung der Elektronenumverteilung
bestätigen.“ Künftig könnte das Prinzip eine leistungsstarke Strategie
für die Herstellung von Katalysatoren sein, die für verschiedene
Energiespeicher- und Umwandlungsanwendungen benötigt werden.
Den Artikel finden Sie unter:
https://www.uni-paderborn.de/nachricht/95857
Quelle: Universität Paderborn (06/2021)
Publikation:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202008752 |
