Den Feinheiten der Katalyse auf der Spur
Ein Katalysator bindet auf reversible Weise einen oder mehrere Reaktionspartner, wodurch die Reaktion begünstigt wird, ohne durch sie verbraucht zu werden. Der Katalysator kann so seine vermittelnde Tätigkeit immer wieder von neuem ausüben, und so die Reaktionsgeschwindigkeit beschleunigen und die Produktion erhöhen. Der Schloss- und Schlüsselmechanismus strebt nach hoher Spezifität, da die Reaktionspartner im Wettstreit mit anderen chemischen Spezies stehen, die ihnen strukturell ähnlich sind. Bei der Suche nach kostengünstigen Katalysatoren für vielversprechende, umweltfreundliche Brennstoffzellen ist das Verständnis für diesen Wettstreit maßgebend. Eine neue EU-finanzierte Studie im Rahmen des Projekts "Electrocatalysis on model interfaces" (ELCAMI) wandte moderne In-situ-Infrarot-/Raman-Spektroskopie an, um die lokale Struktur und Reaktivität in neuartigen Kathoden auf Palladiumbasis (Pd) zu bewerten. Die Wissenschaftler verglichen vier Typen Pd-basierter Plattformen für Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (Low-Temperature Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, LT-PEMFC) als Alternative zum konventionellen und teuren Platin. Sie konzentrierten sich dabei auf die Sauerstoffreduktionsreaktion an der Kathode. Ihre Untersuchungen eröffneten neue Einblicke in die Rolle der Alkoholadsorbate (-OH) und der Oberflächenoxide bei der Kinetik der Sauerstoffreduktionsreaktion. Diese Spezies konkurrieren mit dem molekularen Sauerstoff um aktive Katalysatorstellen. Den Forschern gelangen mit ihren In-situ-Studien an Einkristalloberflächen überaus wichtige Durchbrüche im Verständnis der fundamentalen Oxidations- und Reduktionsprozesse bei der Elektrokatalyse. Ihre Resultate bringen das dringend benötigte Licht in die Elektrochemie der Pd-basierten Kathoden für kostengünstige LT-PEMFC. In einem breiter angelegten Kontext haben die Forscher die Umsetzbarkeit von Einkristallen bei der In-situ-Infrarot-/Ramanspektroskopie für die Aufklärung von Struktur-Empfindlichkeits-Beziehungen in der Katalyse nachgewiesen. Die ELCAMI-Technologie und die dazugehörigen Leitlinien für experimentelle Messungen der Katalyse sind äußerst vielversprechend und könnten eine neue Ära der Entdeckungen und Innovationen einleiten. So ist man kostengünstiger, umweltfreundlicher Energie für eine strahlende Zukunft wieder einen Schritt nähergekommen.
Schlüsselbegriffe
Katalysator, Einkristall, Brennstoffzellen, Infrarot-/Raman-, Spektroskopie, Kathoden, LT-PEMFC, Sauerstoffreduktionsreaktion, Alkoholadsorbat
