Neue Katalysatormaterialien für Brennstoffzellen auf Basis von Torf

Eisen-Stickstoff-Kohlenstoff-Katalysatoren besitzen das Potenzial, die teuren Platinkatalysatoren in Brennstoffzellen zu ersetzen. Dies belegt eine Studie, die das Helmholtz-Zentrum Berlin gemeinsam mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt und den Universitäten in Tartu und Tallinn durchgeführt hat. Das Forscherteam beobachtete an der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II die Bildung komplexer Mikrostrukturen in den Proben. Anschließend analysierten sie, welche Strukturparameter besonders wichtig für die Förderung der bevorzugten elektrochemischen Reaktionen waren. Interessanterweise dient gut zersetzter Torf als Rohstoff für diese Katalysatoren.

Brennstoffzellen als Baustein der Energiewende

Brennstoffzellen wandeln die chemische Energie von Wasserstoff direkt in elektrische Energie um und erzeugen dabei lediglich Wasser als Nebenprodukt. Somit könnten Brennstoffzellen zu einem wichtigen Baustein in einem klimaneutralen Energiesystem werden. Das größte Verbesserungspotenzial liegt derzeit in der Kostensenkung. Diese könnte vor allem durch den Ersatz der Elektrokatalysatoren erreicht werden, welche gegenwärtig auf Platin basieren.

Fe−N−C-Katalysatoren und die Rolle des Torfs

Eine sehr vielversprechende Option für den Ersatz von Platin sind Kohlenstoffbasierte Katalysatoren, die Eisen und Stickstoff enthalten. Sie sind besonders für den Einsatz in Anionenaustauschmembran-Brennstoffzellen geeignet. Eine natürliche Quelle für diese Kombination aus Kohlenstoff, Stickstoff und Eisen ist beispielsweise gut zersetzter Torf aus Estland. Kohlenstoffbasierte Materialien zeichnen sich durch bemerkenswerte Eigenschaften aus: Einige sind hochporös und besitzen Poren unterschiedlicher Größe, die miteinander vernetzt sind – vergleichbar mit den Wegen in einem Ameisenbau. Diese Gänge ermöglichen es, dass Wasserstoff- und Sauerstoffatome wandern können, um die katalytisch aktiven Stellen zu erreichen, an denen die gewünschten Reaktionen ablaufen, und dass das Endprodukt Wasser abtransportiert wird. Rutha Jäger erklärt dazu: „Indem wir die hierarchischen Strukturen im Katalysatormaterial verändern, also beispielsweise Größe und Dicke der Porenwände, können wir Materialien mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften herstellen.“

Strukturelle Geheimnisse des Hochleistungskatalysators

Eneli Härk fasst die zentrale Fragestellung der Forschung wie folgt zusammen: „Wir wollten verstehen, warum einer der Fe−N−C-Elektrokatalysatoren so eine außergewöhnliche Effizienz und Selektivität aufwies, vergleichbar mit der Leistung des besten Nichtedelmetallkatalysators, während andere Fe−N−C-Proben nicht so gut abschnitten.“

Mithilfe der Kleinwinkel-Röntgenstreuung (SAXS) an der Anlage BESSY II untersuchten die Forschenden die wichtigsten strukturellen Eigenschaften der Proben: die hierarchische Porosität, die strukturelle Unordnung und den Wechselwirkungsabstand zwischen aktiven Zentren innerhalb der Poren. Eneli Härk betont den Wert dieser Methode: „Die Kleinwinkel-Röntgenstreuung liefert detaillierte und quantitative Informationen über die Porenkrümmung und das Verhältnis zwischen Porengröße und Porenwanddicke – Parameter, die mit anderen Methoden nur schwer direkt zu messen sind.“

Systematische Untersuchung und Charakterisierung

Anstatt sich auf ein Vorgehen durch Versuch und Irrtum zu verlassen, konzipierte das Forschungsteam eine systematische Studie. Sie synthetisierten fünf Proben gleichzeitig bei unterschiedlichen Temperaturen, die von 800 bis 1000 °C reichten. Ziel dieser Variation war es, die Poren- und Porenwandstruktur gezielt zu verändern.

Zusammen mit einem handelsüblichen Katalysator wurden diese Proben an BESSY II umfassend charakterisiert. Dafür kamen sowohl die konventionelle Kleinwinkel-Röntgenstreuung (SAXS) als auch die anomale Kleinwinkel-Röntgenstreuung (ASAXS) zum Einsatz. Diese Methoden dienten dazu, die 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 insgesamt 13 Strukturparameter ab, die die katalytische Leistung beeinflussen, darunter Porosität, Unordnung und Porenkrümmung.

Porenkrümmung und nachhaltige Katalyse

Eneli Härk erklärt die gewonnenen Erkenntnisse metaphorisch: „Die Kleinwinkelstreuung liefert uns sozusagen eine präzise Karte des Ameisenhügels, während das elektrochemische Verhalten des Katalysators uns zeigt, wie sich die ‚Ameisen‘, also die Moleküle, darin bewegen.“ Ein entscheidendes Ergebnis dieser Untersuchung ist, dass die Reduktion von Sauerstoff zu Wasser am besten funktioniert und die Bildung von problematischem Wasserstoffperoxid minimiert wird, wenn eine Porenkrümmung von mindestens drei Nanometern vorliegt.

„Wir wussten grundsätzlich, wie die Materialien elektrochemisch funktionieren und dass die hierarchische Porosität des Materials wichtig ist, aber warum eines davon besser funktioniert, blieb ein Rätsel. Jetzt konnten wir jedoch endlich die strukturellen Nuancen aufdecken, die die Reaktion fördern“, resümiert Rutha Jäger. Angesichts der Tatsache, dass Fe−N−C aus gut zersetztem Torf synthetisiert werden kann, ist das Material zudem als umweltfreundlich zu bezeichnen. Die erzielten Ergebnisse zeigen somit einen klaren Weg auf, um sowohl die Systemkosten zu senken als auch die Nachhaltigkeit der Brennstoffzellentechnologie zu verbessern.

Quelle

Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (11/2025)