Forschende des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft haben grundlegende neue Erkenntnisse zur Funktionsweise von in Brennstoffzellen eingesetzten Katalysatoren gewonnen. In der in Nature Communications veröffentlichten Studie wird gezeigt, wie mehrere Reaktionsschritte bei der Umwandlung von Sauerstoff (O2) in Wasser (H2O) die gesamte Kinetik der Katalysatoren beeinflussen und welche Rolle Veränderungen an der Grenzfläche zwischen Katalysator und Lösung hierbei spielen. Die Untersuchung leistet somit einen wichtigen Beitrag zum Verständnis mehrstufiger elektrokatalytischer Reaktionen.
Katalysatoren für Brennstoffzellen verstehen
Katalysatoren sind für unsere zukünftige Energieversorgung unverzichtbar. Sie werden beispielsweise in Brennstoffzellen eingesetzt, die Schwerlast- und Langstreckentransporte antreiben können. Um diese Technologie für den täglichen Gebrauch fit zu machen, ist ein tiefgreifendes Verständnis von Elektrokatalysatoren für Brennstoffzellen und deren kontinuierliche Weiterentwicklung unerlässlich.
Die Abteilung für Grenzflächenwissenschaft am Fritz-Haber-Institut hat bedeutende Fortschritte beim Verständnis der Funktionsweise von Brennstoffzellenkatalysatoren unter industriell relevanten Bedingungen erzielt. Diese Ergebnisse sind entscheidend für die Weiterentwicklung elektrochemischer Technologien und liefern grundlegende Erkenntnisse über mehrstufige elektrokatalytische Reaktionen.
Eine kinetische Kaskade und technische Erkenntnisse
Die aktuelle Studie, die von Dr. Silva und Jody Druce in der Gruppe um Dr. Öner von der Abteilung Grenzflächenwissenschaft unter der Leitung von Prof. Dr. Beatriz Roldán Cuenya durchgeführt wurde, untersucht, wie sich die angelegte elektrische Überspannung und der O2-Druck auf die Kinetik der Sauerstoffreduktionsreaktion (Oxygen Reduction Reaction, ORR) von vier verschiedenen Katalysatoren in einer Brennstoffzelle auswirken. Dabei entdeckten sie eine sehr ausgeprägte Abhängigkeit der Reaktionskinetik von der Überspannung. Die Katalysatoraktivität wird demnach nicht durch einen einzigen geschwindigkeitsbestimmenden Schritt begrenzt, sondern durch verschiedene Reaktionsschritte an der Grenzfläche zwischen Katalysator und Lösung. Diese unterliegt wiederum spannungsabhängigen Veränderungen.
Dr. Öner erklärt: „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 Forschenden haben jedoch nun herausgefunden, dass sich die geschwindigkeitsbestimmenden Schritte und somit die Geschwindigkeitskontrolle in Abhängigkeit von der Überspannung und dem Druck verändern.
Dr. Öner betont, dass die Studie einen Paradigmenwechsel in der Elektrokatalyse-Forschung auslöst. „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 unser Verständnis der Katalysatoraktivität und eröffnen insgesamt neue Perspektiven für die Weiterentwicklung von Technologien zur Energieumwandlung. Das Forschungsteam plant, seine Untersuchungen auszubauen, um weitere grundlegende Erkenntnisse im Bereich der Energie- und Stoffumwandlung zu gewinnen.
