Forschende des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft haben bedeutende Fortschritte im Verständnis von Brennstoffzellen-Katalysatoren erzielt. In ihrer in Nature Communications veröffentlichten Studie legten sie dar, wie die Umwandlung von Sauerstoff (O2) in Wasser (H2O) durch das Zusammenspiel mehrerer Reaktionsschritte gesteuert wird. Ein zentraler Aspekt der Arbeit liegt in der Erkenntnis, dass die gesamte kinetische Dynamik maßgeblich von Veränderungen an der Grenzfläche zwischen dem Katalysator und der umgebenden Lösung beeinflusst wird. Durch diese detaillierte Analyse liefert das Team einen essenziellen Beitrag zur Entschlüsselung mehrstufiger elektrokatalytischer Prozesse, was langfristig die Effizienz von Energiewandlern verbessern könnte.
Die Aktivität von Katalysatoren
Katalysatoren stellen einen unverzichtbaren Grundpfeiler für die Energieversorgung der Zukunft dar, da sie unter anderem den Antrieb von Schwerlast- und Langstreckentransporten mittels Brennstoffzellen ermöglichen. Um diese Technologie jedoch vollständig alltagstauglich zu machen, sind ein tiefgreifendes Verständnis sowie die stetige Optimierung der eingesetzten Elektrokatalysatoren zwingend erforderlich.
In diesem Kontext hat die Abteilung für Grenzflächenwissenschaft am Fritz-Haber-Institut nun bedeutende Fortschritte erzielt, indem sie die Funktionsweise dieser Katalysatoren unter industriell relevanten Bedingungen entschlüsselt hat. Die gewonnenen Erkenntnisse über mehrstufige elektrokatalytische Reaktionen sind von entscheidender Bedeutung, da sie die wissenschaftliche Basis für die gezielte Weiterentwicklung moderner elektrochemischer Technologien liefern.
Eine kinetische Kaskade
Die aktuelle Untersuchung wurde von Dr. Silva und Jody Druce durchgeführt. Im Zentrum der Arbeit stand die Frage, wie die angelegte elektrische Überspannung sowie der O2-Druck die Kinetik der Sauerstoffreduktionsreaktion (Oxygen Reduction Reaction, ORR) bei vier unterschiedlichen Katalysatortypen in einer Brennstoffzelle beeinflussen.
Dabei entdeckten die Forschenden eine markante Abhängigkeit der Reaktionskinetik von der jeweils anliegenden Überspannung. Ein wesentliches Ergebnis der Studie ist, dass die Katalysatoraktivität nicht durch einen isolierten, geschwindigkeitsbestimmenden Schritt limitiert wird. Vielmehr wird der Prozess durch ein komplexes Zusammenspiel verschiedener Reaktionsschritte an der Grenzfläche zwischen Katalysator und Lösung gesteuert, wobei diese Grenzfläche selbst spannungsabhängigen Veränderungen unterliegt.
Technische Erkenntnisse
Laut Dr. Öner herrscht in der Wissenschaft bislang eine konventionelle Sichtweise auf komplexe chemische Prozesse vor: „Die traditionelle Ansicht in der Fachwelt ist, dass mehrstufige Reaktionen in der Regel auf einen einzelnen geschwindigkeitsbestimmenden Zwischenschritt zurückgeführt werden können – oder, technisch ausgedrückt, dass der Grad der Geschwindigkeitskontrolle dieses Schritts gleich eins ist.“ Die aktuellen Forschungsergebnisse widerlegen jedoch diese Annahme, da sie zeigen, dass sich die geschwindigkeitsbestimmenden Schritte und damit die gesamte Geschwindigkeitskontrolle dynamisch mit der Überspannung und dem Druck verändern.
Vor diesem Hintergrund betont Dr. Öner, dass die Studie einen Paradigmenwechsel in der Elektrokatalyse-Forschung einleitet. Er führt dazu aus: „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.”
Schlussfolgerung und Ausblick
Prof. Dr. Beatriz Roldán Cuenya betont, wie wichtig es ist, die überspannungs- und druckabhängigen chemischen und strukturellen Veränderungen an der Grenzfläche zwischen Katalysator und Lösung mit den Aktivierungsparametern zu verknüpfen.
Die neuen Erkenntnisse verbessern nicht nur unser Verständnis der Katalysatoraktivität, sondern auch insgesamt die Perspektiven für die Weiterentwicklung von Technologien zur Energieumwandlung. Das Forschungsteam will seine Untersuchungen ausbauen, um weitere grundlegende Erkenntnisse im Bereich Energie- und Stoffumwandlung zu gewinnen.