Wie „Rost“ möglicherweise zur Stromerzeugung in Brennstoffzellen beitragen könnte

Wie „Rost“ möglicherweise zur Stromerzeugung in Brennstoffzellen beitragen könnte

Der weltweite Trend zu sauberer Energie hat Technologien wie Brennstoffzellen in den Vordergrund der Innovation gerückt. Brennstoffzellen nutzen die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff, um chemische Energie in elektrische Energie umzuwandeln mit Wasser als einzigem Produkt. Um dies zu ermöglichen, sind Katalysatoren erforderlich. Der Standardkatalysator – Platin – ist sowohl teuer als auch selten. Aus diesem Grund arbeiten Wissenschaftler:innen weltweit an kostengünstigen Alternativen, wie beispielsweise sogenannten Eisen-Stickstoff-Kohlenstoff-Katalysatoren (FeNC). Diese erreichen zwar die erforderliche Aktivität, ihre Haltbarkeit ist jedoch oft unzureichend, wobei die genaue Ursache für die Degradation umstritten ist. Jahrelang war die vorherrschende Theorie, dass die katalytische Aktivität hauptsächlich auf FeN4-Gruppen zurückzuführen ist.

Eine aktuelle Studie des Sonderforschungsbereichs (SFB) 1487 „Eisen, neu gedacht!“ an der TU Darmstadt stellt lang gehegte Überzeugungen über FeNC-Katalysatoren in Frage.

Durch die Kombination von modernster Mikroskopie mit Echtzeitanalysen entdeckte das Forschungsteam des Max-Planck-Instituts für chemische Energieumwandlung, der TU Darmstadt und des Fritz-Haber-Instituts sehr kleine Eisenoxid-Einheiten, die reversibel „redoxaktiv” sind. Diese Beobachtung kam eher unerwartet, da bekannt ist, dass sich massives Eisenoxid unter den relevanten Anwendungsbedingungen auflöst.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass bestimmte Eisenoxidanteile in FeNC-Katalysatoren nicht nur bloße Abbauprodukte sind, sondern dynamische Komponenten, die möglicherweise sogar aktiv an der Katalysatoraktivität beteiligt sind.

Ein Luftzug ordnet die Eisenatome neu

Eines der auffälligsten Ergebnisse der Studie ist die extreme Umweltempfindlichkeit dieser Materialien. Wenn es frisch in einer mit Stickstoff gefüllten Atmosphäre hergestellt wird, enthält das Material hauptsächlich Eisen in Form von isolierten Atomen und winzigen „Atomclustern” (d. h. wenigen Atomen, ACs), die über die gesamte Kohlenstoffmatrix verteilt sind.

Im krassen Gegensatz dazu wandern die Eisenatome, sobald das Material der Luft ausgesetzt wird, und verklumpen zu Eisenoxid-Nanopartikeln (NPs).

Die Bedeutung der In-situ-Analyse

Eine wichtige Erkenntnis aus dieser Forschung ist, dass ein Katalysator nur dann wirklich verstanden werden kann, wenn er „in Aktion“ (in situ) untersucht wird. Nur dann können Forschende die dynamische Natur der beteiligten Spezies identifizieren. Mit dem Versuchsaufbau konnten die Autor:innen auch eine teilweise Auswaschung von Eisen aus dem Katalysator feststellen. Doch selbst unter Berücksichtigung dieser Tatsache wurde die Reversibilität des Redox-Wechsels durch die Kombination zweier sehr leistungsfähiger Techniken bestätigt: Elektronenspinresonanzspektroskopie (EPR) und Mößbauer-Spektroskopie.

Ein neuer Weg in die Zukunft

Diese Forschung gibt der Diskussion über Eisenoxide in FeNC-Katalysatoren eine grundlegend neue Richtung. Die Entdeckung ihrer redoxaktiven und reversiblen Eigenschaften deutet auf einen möglichen, bisher jedoch nicht berücksichtigten Beitrag zur Katalyse hin.

Dies könnte einerseits darauf hindeuten, dass solche Stellen der Grund für den schnellen Abbau unter härteren Brennstoffzellenbedingungen sind. Andererseits müssen ihre Funktionen nicht als zu beseitigendes Problem betrachtet werden, sondern müssen verstanden und möglicherweise optimiert werden, um eine stabilere Leistung zu ermöglichen.

Der Weg in eine platinfreie Zukunft könnte somit durch ein grundlegend besseres Verständnis der Eisenoxidanteile geebnet werden, wodurch der Weg zu wirklich erschwinglicher, sauberer Energie geebnet würde.

Weitere Informationen

Diese Arbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) über den SFB 1487 „Eisen, neu gedacht!“ finanziell unterstützt.

Publikation:

Autor:innen: Kaltum Abdiaziz, Lingmei Ni, Derya Demirbas, Hendrik Haak, Edward Reijerse, Pascal Theis, Wulyu Jiang, Sonia Chabbra, Thomas Lunkenbein, Ulrike I. Kramm, und Alexander Schnegg

Titel: Reversibly Redox-Active Iron Oxide Structures in FeNC Catalysts Identified by Microscopy and Spectroelectrochemical EPR and Mössbauer Methods

In: Journal of the American Chemical Society 2026 148 (4), 3995-4007

DOI: 10.1021/jacs.5c12396

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c12396?ref=pdf

Wissenschaftliche Ansprechpersonen:

• Alexander Schnegg

Max-Planck-Institut für chemische Energieconversion

Mülheim an der Ruhr 45470, Deutschland;

Email: alexander.schnegg@cec.mpg.de

• Ulrike I. Kramm

Katalyse und Elektrokatalyse

Fachbereich Chemie, Technische Universität Darmstadt

Darmstadt 64287, Deutschland;

Email: ulrike.kramm@tu-darmstadt.de