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Angewandte Elektrochemie: Es muss nicht immer Platin sein

Was die Vernunft jahrzehntelang nicht schaffte, erledigen steigende Energiepreise im Handumdrehen - die Suche nach neuen Energiequellen und -trägern kommt in Mode. Wasserstoff gilt als einer der heißesten Kandidaten. Wenn da nicht die teuren Katalysatoren aus Platin wären.
Knallgasreaktion
Das Prinzip kennen viele schon aus der Schule: Stellt man zwei mit einer Batterie verbundene Elektroden in ein Gefäß mit Wasser, beginnt es schon nach kurzer Zeit zu blubbern. Fängt man das entweichende Gas auch noch auf und hält einen glimmenden Holzspan daran, entzündet es sich mit einem lauten Knall. Elektrolyse und Knallgasreaktion – in diesem Fall die Spaltung von Wasser und seine Wiedervereinigung – auf anschauliche Weise präsentiert.

Ein Prozess, der Energieforscher weit über die Schulzeit hinaus beschäftigt. Denn in Zeiten des Klimawandels und schwindender fossiler Energieträger scheinen Elektrolyse und Knallgasreaktion die Hoffnung einer alternativen Energiegewinnung darzustellen. Wasser ist auf Erden reichlich verfügbar, und so braucht es nur in seine Bestandteile gespalten, die Gase gelagert und bei Bedarf wieder – diesmal vorsichtig und ohne Knall – zu neuem Wasser kombiniert zu werden. Lauter Vorgänge, die technisch längst Routine sind.

Kein Knall ohne Energie

Doch benötigt die Trennung der beiden Elemente bei einer Elektrolyse zwangsweise selbst Energiezufuhr (im Schulexperiment in Form elektrischer Energie aus der Batterie). Einen Teil dieser Energie kann man bei der Knallgasreaktion zurückgewinnen. Alles, was man dazu benötigt, ist ein Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff und eine kleine Starthilfe, durch welche die ersten Reaktanden es über die Aktivierungshürde schaffen und sich wieder zu Wasser vereinen.

Das allerdings ist teuer. Denn die besten Ergebnisse erzielen Apparaturen, in denen Elektroden aus dem Edelmetall Platin den Kontakt zum Wasser und den Gasen herstellen. Es hat genau die passenden Eigenschaften, und wäre Platin billig, würden die Industrienationen sich darum vermutlich bereits auf ein ausgeklügeltes System der Wasserstoffwirtschaft stützen. Wasserstoff deshalb, weil der ebenfalls notwendige Sauerstoff in mehr als ausreichender Konzentration in der Luft vorhanden ist und somit nicht extra gespeichert und transportiert werden muss. Da Platin jedoch überaus teuer ist, bleibt der Menschheit nichts anderes übrig, als nach günstigerem Ersatz zu suchen. Und genau bei dieser Suche glauben zwei Arbeitsgruppen nun, große und wichtige Schritte vorwärts gemacht zu haben.

Wobei Matthew Kanan und Daniel Nocera vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) genau genommen gar nicht wissen, wie ihr Katalysator für die Spaltung des Wassers funktioniert [1]. Als Trägermaterial verwendeten die Wissenschaftler Indium-Zinn-Oxid, während die eigentlichen Reaktionshelfer Phosphat- und Kobaltionen waren. Sobald eine Spannung angelegt war, lagerte sich ein dunkler Film an den Träger, und Sauerstoffbläschen stiegen auf. Unter dem Elektronenmikroskop erschien der Film als Ablagerung von mikrometerkleinen Stückchen, die nach spektroskopischen Messungen aus einem Gemisch von Kobaltoxid oder -hydroxid und Phosphaten bestanden. Womöglich durchläuft diese Kombination verschiedene Phasen mit unterschiedlich stark oxidiertem Kobalt, was gewissermaßen nebenbei den Sauerstoff aus dem Wasser abscheidet. Trotz der Unklarheiten ist eines gewiss: Schon jetzt arbeitet das System effizient und dauerhaft – und das bei völlig gewöhnlichen Reaktionsbedinungen.

Ganz ohne Platin geht noch nicht

Sollten die Forscher vom MIT eines Tages große Mengen von Sauerstoff- und Wasserstoffgas liefern, wäre das Team um Bjorn Winther-Jensen von der australischen Monash University sicherlich ein dankbarer Abnehmer. Ihm ist es gelungen, eine Elektrode für die kontrollierte Rekombination des Wassers zu entwickeln, die nicht auf Platin, sondern auf einen Kunststoff setzt [2]. Poly(3,4-ethylendioxythiophen) heißt das Material, kurz PEDOT genannt. Es ist elektrisch leitend und lässt sich auf verschiedene Untergründe aufdampfen. Für ihre Tests wählten die Wissenschaftler eine Goretexmembran, auf welche sie zunächst zur Verbesserung der Leitfähigkeit eine dünne Schicht Gold und dann den Kunststoff auftrugen. An die eine Seite dieser Folie ließen sie das Gas, die andere hatte Kontakt zu dem wässrigen Elektrolyten, der den Kontakt zur zweiten Elektrode herstellt. Über mehr als 1500 Stunden lieferte dieser Aufbau ebenso gut elektrischen Strom wie eine Vergleichselektrode aus Platin und wie andere Typen von Brennstoffzellen.

Ausgereift ist aber auch das australische Konzept noch nicht. Bislang besteht die zweite Elektrode weiterhin aus Platin, und der Kunststoff benötigt die Unterstützung der Goldschicht. Doch PEDOT ist nur ein Vertreter einer ganzen Reihe leitender Polymere. Einer seiner Verwandten könnte eventuell aus eigener Kraft heraus den Vermittler zwischen den Gasen spielen und so den Preis der Brennstoffzellen auf ein Niveau drücken, das eine Produktion und den Betrieb in Massen erschwinglich macht.

Die Sonne als Quelle der Energie, die von neuen Elektrolyseapparaten eingefangen und in Brennstoffzellen wieder freigesetzt wird, könnte tatsächlich die nachhaltige Lösung des globalen Energieproblems sein. Gegenwärtig ist uns dieser Weg zu teuer, aber vielleicht verhelfen die neuen Ansätze der Technologie demnächst zum dringend benötigten Durchbruch. Dann haben die Chemielehrer auch eine gute Begründung, warum sie mit ihrem Knallgasversuch die ganze Klasse aufwecken. Denn die Abzweigung in die Energiewirtschaft der Zukunft sollte besser keine Industrienation verschlafen.

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  • Quellen
[1] Winther-Jensen, B. et al.: High Rates of Oxygen Reduction over a Vapor Phase-Polymerized PEDOT Electrode. In: Science 321, S. 671–674, 2008.
[2] Kanan, M. W., Nocera, D. G.: In Situ Formation of an Oxygen-Evolving Catalyst in Neutral Water Containing Phosphate and Co2+. In: Science science.1162018, 2008.

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