Kupfer als neues Platin für Brennstoffzellen?

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Lange unterschätzter Kandidat für Elektrokatalysatoren

Mit Brennstoffzellen soll der Verkehr umweltfreundlicher werden. Eine Herausforderung dabei: Geeignete Katalysatoren zu finden, die nicht nur effizient Strom aus Brennstoffen gewinnen, sondern auch möglichst preiswert sind. Die physikalische Chemikerin Julia Kunze-Liebhäuser und ihr Team an der Universität Innsbruck haben nun gezeigt, dass Kupfer hier ein lange unterschätzter Kandidat ist.

Brennstoffzellen stehen im Fokus der modernen Energieforschung und sind essenziell für die nachhaltige Energieversorgung. Ob ihr Herz – der Katalysator – effizient arbeitet, hängt stark von seinem Material ab. Kürzlich gelang Julia Kunze-Liebhäuser, Professorin für Physikalische Chemie an der Universität Innsbruck, der Nachweis, dass Kupfer als Katalysator viel besser geeignet ist, als man bisher dachte. Sie publizierten ihre Ergebnisse im Fachjournal Nature Catalysis.

Effiziente Katalysatoren wandeln in einer Brennstoffzelle chemische in elektrische Energie um. Sie können auch in Elektrolyseuren zur Spaltung von Wasser oder zur Erzeugung synthetischer Kraftstoffe fungieren. Eine Herausforderung bei der Entwicklung von Katalysatoren ist häufig die Suche nach dem passendem Material. „Bisher bestehen gut funktionierende Katalysatoren oft aus seltenen Elementen wie Platin oder Iridium, was sie sehr kostenintensiv macht“, erklärt Kunze-Liebhäuser. Wissenschaftler sind daher auf der Suche nach verfügbaren Alternativen. Hierbei hilft ihnen das jahrhundertealte Sabatierprinzip. „Dieses Prinzip besagt, dass ein gutes Katalysatormaterial die an der Reaktion beteiligten Moleküle nicht zu stark und nicht zu schwach binden sollte. Die Bindung sollte stark genug sein, um die Reaktion zu aktivieren, allerdings auch schwach genug, um die Moleküle nicht für immer an sich zu binden und so die Reaktion zum Erliegen zu bringen“, erläutert die Chemikerin. „Viele Materialien erfüllen leider nicht dieses Prinzip, da Moleküle entweder alle stärker oder alle schwächer gebunden werden, während man oft Substanzen bräuchte, die gezielt bestimmte Moleküle stärker, andere aber schwächer an ihre Oberfläche anlagern.“

Dynamische Clusterbildung

In ihrer in Nature Catalysis erschienenen Arbeit konnte das Team um Julia Kunze-Liebhäuser in Kooperation mit Prof. Karsten Reuter vom Fritz-Haber-Institut Berlin zeigen, dass Kupfer eine ganz eigene Lösung zu diesem Problem gefunden hat. Bei der Elektrooxidationsreaktion von Kohlenmonoxid, dem wichtigsten Zwischenprodukt bei der Oxidation von Brennstoffen in Brennstoffzellen, beobachteten sie, dass sich die Oberfläche eines Kupfer-Katalysators während der Reaktion verändert. „In der Literatur ist Kupfer als für diese Reaktion inaktiv beschrieben, und auch unsere Berechnungen zeigten, dass ein Kupfer-Katalysator eigentlich nicht funktionieren sollte. Im Experiment konnten wir allerdings eine hohe elektrokatalytische Aktivität messen“, beschreibt Julia Kunze-Liebhäuser. Um diesem widersprüchlichen Ergebnis auf die Spur zu kommen, schauten die Wissenschaftler_innen genauer hin und fanden mit dem Rastertunnelmikroskop die Erklärung für die hohe Aktivität des Kupferkatalysators. „Wir haben herausgefunden, dass Kupfer während der Reaktion seine Oberfläche verändert und sich hier laufend kleine Inseln aus wenigen Kupfer-Atomen bilden. In diesen hervorstehenden, nur nanometergroßen Clustern speichert sich, lokal abgegrenzt, unter der angelegten Spannung die Ladung adsorbierender Moleküle, was zu fundamental anderen Bindungseigenschaften führt.“ Diese Fähigkeit von Kupfer, seine Bindungsstärke für geladene und neutrale Moleküle durch nanometrische Cluster auf der Katalysatoroberfläche separat und entkoppelt zu verändern, könnte einen komplett neuen Zugang zur Erfüllung des Sabatierprinzips darstellen. Bei Kupfer bilden sich diese Cluster spontan; die Arbeitsgruppe um Julia Kunze-Liebhäuser will nun in Zukunft erforschen, ob diese Cluster auch gezielt erzeugt werden können.

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