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Brennstoffzellen: Cyanid sperrt Sauerstoff den Weg zum Katalysator frei

Sauerstoff an Brennstoffzelle
Zwei voneinander getrennte Reaktionen laufen in der Brennstoffzelle ab: An der Anode verliert Wasserstoff seine Elektronen, während die Kathode Sauerstoff reduziert. Letztere Reaktion macht den Technikern, die Brennstoffzellen für technische Anwendungen optimieren, am meisten Probleme. Einerseits muss das Material der Kathode reaktiv genug sein, um vier Elektronen auf den Sauerstoff zu übertragen, andererseits aber lagern sich umso mehr störende Ionen aus dem Elektrolyt dort an, je reaktiver die Oberfläche wird. Besonders wichtig ist dieses Problem bei den effizienten Phosphorsäure-Brennstoffzellen (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC), in denen allein angelagertes Phosphat die Reaktionsgeschwindigkeit bestimmt – eine Verbesserung des Elektrodenmaterials ändert daran nichts.

Ein internationales Team um den Materialwissenschaftler Nenad Markovic vom Argonne National Laboratory in den USA hat jetzt einen Weg gefunden, das unerwünschte Phosphat von der Oberfläche der Elektrode fernzuhalten. Sie blockieren die Bindungsstellen der Fremdstoffe einfach mit Cyanid.

Mit ihrem Verfahren präsentieren die Forscher ein vielseitig anwendbares Prinzip, diese Art der Brennstoffzellen zu verbessern. Das Cyanid bindet fest an die Metallatome und bildet eine hexagonale Struktur. Dadurch ist auf dem Katalysator schlicht nicht mehr genug Platz für die großen Phosphatmoleküle, der schlankere Sauerstoff jedoch schlüpft durch die Lücken und kann nach wie vor am Metall Elektronen aufnehmen.

Cyanid versperrt Phosphat den Weg | Links: Phosphationen bedecken die Platinoberfläche einer Brennstoffzellen-Elektrode dicht an dicht, so dass der Sauerstoff nicht reagieren kann. Rechts: Eine Schicht aus Cyanid ist etwas lockerer gepackt, so dass sie zwar das Phosphat von der Oberfläche fern hält, nicht aber den erwünschten Sauerstoff.
Die Forscher wählten Cyanid aus mehreren Gründen als Oberflächenbeschichtung. Zum einen bildet es auf der verwendeten Platinoberfläche eine stabile Schicht, die sich nicht verflüchtigt oder umlagert, zum anderen ist bekannt, dass Cyanid auf der Oberfläche des Katalysators dessen elektronische Eigenschaften bei der Reaktion mit Sauerstoff nicht negativ beeinflusst. Außerdem ist das Verhalten des Moleküls auf Katalysatoroberflächen verschiedener Zusammensetzung und Geometrie gut untersucht, so dass sich die Erkenntnisse aus den Versuchen der Forscher leicht auf andere Systeme übertragen lassen.

Elektrochemische Messungen zeigen, dass die Belegung mit Cyanid ausreicht, um große Ionen wie Phosphat und Sulfat fast vollständig von der Oberfläche fernzuhalten. In einer phosphathaltigen Elektrolytlösung stieg die Effektivität der Reaktion auf das Zehnfache des normalen Wertes. Die Forscher vermuten, dass das Verfahren auch auf andere Katalysatoren als Platin anwendbar ist, denn ein Katalysator, der durch Phosphat blockiert wird, bindet auch Cyanid. (lf)

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  • Quellen
Markovic, N. et al.: Enhanced electrocatalysis of the oxygen reduction reaction based on patterning of platinum surfaces with cyanide. In: Nature Chemistry 10.1038/nchem.771, 2010.

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