Neue Katalysatoren für harnstoffbasierte Brennstoffzellen

Veröffentlicht amAutorgh

„Wissenschaftler erreichen modernste Leistung mit kostengünstigen Elektroden ohne Edelmetalle“

Brennstoffzellen, die durch den Abbau des weit verbreiteten organischen Moleküls Harnstoff (CH4N2O, lat. Urea, bzw. Kohlensäurediamid) sauberen Strom erzeugen, könnten eine wichtige Ressource werden, um die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern. Die modernen Katalysatoren für diese Zellen erfordern jedoch Edelmetalle, was sie für die Massenproduktion unerschwinglich macht. Um dieses Problem zu lösen, erforschten Wissenschaftler der Korea Maritime & Ocean University eine neuartige Familie von nanostrukturierten Katalysatoren aus preiswerten Verbindungen auf Nickelbasis und ebneten damit den Weg für die Kommerzialisierung zugänglicher Brennstoffzellen auf Harnstoffbasis.

Harnstoff – Strukturformel

Die Deckung des ständig steigenden Energiebedarfs der Gesellschaft bei gleichzeitigem Streben nach Nachhaltigkeit ist zu einer weltweiten Herausforderung geworden, und Wissenschaftler erforschen eine Vielzahl von Technologien zur Erzeugung sauberer, erneuerbarer Energie, die fossile Brennstoffe ersetzen kann. Neben Wind- und Sonnenenergie sind elektrochemische Ansätze mit Brennstoffzellen attraktiv, weil sie eine kompakte, geräuschlose und umweltfreundliche Alternative zur Stromerzeugung darstellen.

Direkte Harnstoff-Brennstoffzellen (Direct Urea Fuel Cells, DUFCs) sind eine besondere Art von Brennstoffzellen, die Strom durch den Abbau von Harnstoff erzeugen, einem stickstoffreichen Molekül, das häufig in Düngemitteln verwendet wird und auch in Abwässern weit verbreitet ist. Brennstoffzellen benötigen jedoch Katalysatoren, um zu funktionieren; dabei handelt es sich um sorgfältig ausgewählte Materialien, die die notwendigen chemischen Reaktionen erleichtern. Im Falle der DUFC werden die leistungsfähigsten bekannten Katalysatoren leider aus Edelmetallen wie Platin hergestellt.

Um diese Einschränkung zu überwinden und eine leichter zugängliche Alternative zu finden, untersuchte ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Prof. Kyu-Jung Chae von der Korea Maritime and Ocean University eine vielversprechende Katalysatorfamilie: Nickelchalkogenide. Die Forscher verwendeten einen dreidimensionalen Nickelschaum (Ni) als leichtes „Substrat“ und kombinierten dann die äußerste Schicht des Nickels mit verschiedenen Chalkogen-Elementen (Sauerstoff, Schwefel, Selen und Tellur), wodurch ein Nanoblatt aus Nickelchalcogenid entstand, das den komplexen Konturen des Ni-Schaums folgt. Auf ähnliche Weise stellten sie auch Nickelphosphid (Ni-P) und Nickel-Doppelhydroxid (Ni-LDH) her.

Nach der Synthese und Charakterisierung der verschiedenen Katalysatoren ermittelte das Team experimentell, welcher Katalysator die besten elektrochemischen Eigenschaften aufwies, wobei sich herausstellte, dass es sich um denjenigen handelte, der Ni-Se enthielt. Anschließend testeten sie den Katalysator in einer realen DUFC und stellten fest, was genau den Vorteil von Ni-Se gegenüber den anderen Katalysatoren ausmacht, wie Prof. Chae erklärt: „Wir fanden heraus, dass Selen einen starken synergistischen Effekt mit Ni hat und dass die einzigartige nanoskalige Morphologie des von uns hergestellten Katalysators eine große Oberfläche für die Oxidation von Harnstoff und genügend Poren zur Verbesserung des Stofftransfers bietet.“

Die Ergebnisse dieser Studie, die am 16.07.2021 online zur Verfügung gestellt und im Oktober 2021 in Band 150 der Zeitschrift Renewable and Sustainable Energy Reviews veröffentlicht wurde, zeigen nicht nur, dass Katalysatoren mit unterschiedlichen Zusammensetzungen direkt auf einem leichten Träger wie Nickelschaum gezüchtet werden können, sondern auch, dass Materialien auf Nickelbasis so zugeschnitten werden können, dass sie mit modernen edelmetallhaltigen Katalysatoren vergleichbar sind und diese sogar übertreffen. „Wir haben es geschafft, eine hohe Leistungsdichte in einer harnstoffbasierten Brennstoffzelle mit kostengünstigen Materialien zu erreichen“, betont Prof. Chae.

Es ist erwähnenswert, dass DUFCs verschiedene Zwecke gleichzeitig erfüllen können. Sie können Strom erzeugen und gleichzeitig bei der Aufbereitung von harnstoffhaltigen Abwässern helfen und dabei auch noch sauberes Wasser liefern. Diese Eigenschaften machen DUFCs zu einer vielseitigen Option an abgelegenen Orten ohne Zugang zu einem stabilen Stromnetz, wie z. B. in ländlichen Gebieten, auf Schiffen oder sogar bei Weltraummissionen.

Dr. Kyu-Jung Chae ist ordentlicher Professor für Umwelttechnik an der Korea Maritime and Ocean University (KMOU). Bevor er an die KMOU kam, promovierte er im Bereich Umwelttechnik am Gwangju Institute of Science and Technology (GIST) in Südkorea. Er hat über 21 Jahre lang sowohl in der Wissenschaft als auch in der Industrie gearbeitet. Sein Verständnis für die realen Bedürfnisse in der grundlegenden und praktischen Umweltforschung stammt aus seiner ausgewogenen Erfahrung.

->Quellen: