Bei der Forschung an neuen Energieformen und einer nachhaltigen Energieversorgung stehen Brennstoffzellen im Fokus. In einer Brennstoffzelle wandeln effiziente Katalysatoren chemische in elektrische Energie um. Diese Katalysatoren können auch in Elektrolyseuren zur Spaltung von Wasser oder zur Erzeugung synthetischer Kraftstoffe fungieren. Eine Herausforderung bei der Entwicklung von Katalysatoren war allerdings die Suche nach dem passenden Material.
„Bisher bestehen gut funktionierende Katalysatoren oft aus seltenen Elementen wie Platin oder Iridium, was sie sehr kostenintensiv macht“, erklärte Julia Kunze-Liebhäuser, Professorin für Physikalische Chemie an der Universität Innsbruck.
Jahrhundertealtes Sabatierprinzip
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 würde aber dieses Prinzip nicht erfüllen, 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, so Kunze-Liebhäuser.
Oberfläche eines Kupfer-Katalysators verändert sich
Das Team um Julia Kunze-Liebhäuser konnte in Kooperation mit 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.
Publikation der Forschung:
Julia Kunze-Liebhäuser publizierte ihre Ergebnisse im Fachjournal Nature Catalysis.
Um diesem widersprüchlichen Ergebnis auf die Spur zu kommen, schauten die Wissenschaftler 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.“
Kupfer ändert Bindungsstärke separat und entkoppelt
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; jetzt will die die Arbeitsgruppe rund um Julia Kunze-Liebhäuser daran forschen, ob diese Cluster auch gezielt erzeugt werden können.