Theorie trifft Experiment: Grundlegendes zu Brennstoffzellen und Batterien der Zukunft

Damit die Energiewandler künftig möglichst effizient Elektroautos oder etwa Smartphones antreiben können, wird intensiv in diesem Bereich geforscht – vor allem zu „sauren“ Brennstoffzellen.

Wissenschaftler um Professor Wolfgang Schmickler und Dr. Elizabeth Santos vom Ulmer Institut für Theoretische Chemie haben sich in den letzten zwei Jahren vor allem mit „alkalischen Brennstoffzellen“ beschäftigt.

Im Gegensatz zu ihrem sauren Pendant, bei dem Platin der beste Katalysator ist, reicht im alkalischen Medium zum Beispiel Gold aus, um den elektrochemischen Prozess in Gang zu setzen. „Das Einzige, was fehlt, ist eine leistungsfähige Membran. Sobald diese gefunden ist – und dazu gibt es sehr vielversprechende Ansätze – wird sich die alkalische Brennstoffzelle durchsetzen“, mutmaßen Santos und Schmickler. Sie sei billiger, effektiver, und lebe länger.
Grundsätzliche, theoretische Überlegungen zu alkalischen und sauren Zellen haben die Ulmer Wissenschaftler jetzt in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie International“ veröffentlicht. Dabei liegt ein Schwerpunkt auf der Sauerstoffreduktion, Dieser Schritt läuft in vielen aktuellen Brennstoffzellen zu langsam und somit ineffizient ab.

Bei der Brennstoffzelle sind zwei Elektroden über einen äußeren Stromkreis verbunden und mit einer dünnen Schicht überzogen, die als Katalysator elektrochemische Prozesse antreibt. Aus Wasserstoff und Sauerstoff, die den Elektroden zugeführt werden, entstehen letztlich Energie und Wasser. Beide Elektroden trennt eine für Ionen durchlässige Membran, die verhindert, dass sich Wasserstoff und Sauerstoff mischen, bevor sie reagieren.

Warum aber ist ein verhältnismäßig billiger Katalysator wie Gold im alkalischen Milieu ausreichend? Und wieso kann er nicht im sauren Milieu funktionieren? Das sind Fragen, die Santos und Schmickler mithilfe der von ihnen entwickelten „Theorie der Elektrokatalyse“ beantwortet haben. Um die Geschwindigkeit von Reaktionen in Lösungen nachzuvollziehen, haben sie umfangreiche quantenstatistische Berechnungen mit der „Density Functional-Theory“ kombiniert. Dabei handelt es sich um ein Programm zur Berechnung chemischer Eigenschaften.

Mit interessanten Ergebnissen: „Im alkalischen Milieu ist der erste Reaktionsschritt thermodynamisch günstig. Man braucht gar keinen Katalysator, die Sauerstoffreduktion läuft wenige Ångström von der Elektrode entfernt von alleine ab. Im Sauren hingegen ist sie nur effizient, wenn ein guter Katalysator dafür sorgt, dass der Sauerstoff im Vorfeld adsorbiert wird“, erklären die Wissenschaftler. Andernfalls sei der erste Schritt energetisch zu ungünstig.

Diese Erkenntnisse können auch auf neuartige Lithium-Luft-Batterien übertragen werden. Da das Potential von Lithium-Ionen-Batterien als weitgehend ausgereizt gilt, steht diesen Batterien mit einer theoretisch viel höheren Energiedichte wohl eine große Zukunft bevor. „Unsere theoretischen Überlegungen könnten experimentell arbeitenden Kollegen wichtige Hinweise zur Konstruktion effektiver Batterien geben und viel Zeit sowie Geld sparen“, sagt Wolfgang Schmickler.

Der jetzt veröffentlichte Fachartikel ist im Zuge der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanzierten Forschergruppe „Theory meets Experiment: Elementary Steps in Electrocatalysis“ entstanden. Neben Schmickler und Santos waren Forscher aus Argentinien und Russland an den theoretischen Überlegungen beteiligt. Unterstützt wurden sie zudem von der argentinischen Forschungsgemeinschaft Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET), von der Europäischen Union (Projekt ELCAT) und dem Deutschen Akademischen Austauschdienst (DAAD).
Der Artikel hat in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie International“ den Status eines „Very Important Papers“, also eines bedeutenden Beitrags.

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Wolfgang Schmickler, Tel.: 0731 50-31340
Dr. Elizabeth Santos, Tel.: 0731 50-31342

Paola Quaino, Noelia B. Luque, Renat Nazmutdinov, Elizabeth Santos, and Wolfgang Schmickler. Why is Gold such a Good Catalyst for Oxygen Reduction in Alkaline Media? Angewandte Chemie International. DOI: 10.1002/anie.201205902 und 10.1002/ange.201205902