Die Kunst, vier Elektronen möglichst zeitnah zu übertragen

DFG fördert Grundlagenforschung von Nachwuchschemikerin der Universität Jena zur Elektrokatalyse in Brennstoffzellen

„Im Moment ist das alles noch Papierchemie“, sagt Dr. Susann Meyer von der Universität Jena über ihr Forschungsvorhaben zur Elektrokatalyse. Denn noch hat sie mit den eigentlichen Experimenten nicht begonnen. Doch mit der Beschreibung ihres Grundlagenforschungsprojekts hat die 28-jährige Chemikerin die Gutachter der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) überzeugt. Sie bewilligten ihr Mittel, mit denen sowohl ihre eigene Stelle für zwei Jahre finanziert wird als auch Sachmittel in Höhe von 12.000 Euro. Im weitesten Sinne geht es bei dem neuen Projekt, das jetzt im September startet, um die Optimierung eines Teilprozesses in Brennstoffzellen. In diesen Miniaturkraftwerken werden Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser vereint. Die bei diesem Prozess frei werdende Energie fällt vorwiegend als Elektrizität anstatt Wärme an. Wegen ihres sehr hohen Wirkungsgrades wird der Energie-Direktumwandler „Brennstoffzelle“ auch als Energiequelle der Zukunft gehandelt.

Gegenwärtig sind die Prozesse jedoch noch Gegenstand der Grundlagenforschung. „Denn Wasserstoff und Sauerstoff müssen auf ihre Reaktion vorbereitet werden“, berichtet Susann Meyer. „Der Wasserstoff muss als positiv geladenes Proton vorliegen und auf den Sauerstoff müssen zeitnah vier Elektronen übertragen werden.“ Genau diesem Teilproblem, der so genannten Sauerstoffreduktion, wird sich die Chemikerin von der Universität Jena widmen. Sie will ein Mikrosystem entwickeln, in dem eine effiziente elektrokatalytische Sauerstoffreduktion an speziell dafür vorbereiteten Titandioxidschichten erfolgt. Die genannten Titandioxidschichten sind die eigentliche „Jenaer Spezialität“ des Systems. Bereits in ihrer Doktorarbeit hat Meyer an einem Verfahren mitgearbeitet, das es ermöglicht, hauchdünne Schichten von Titandioxid auf verschiedenste Trägermaterialien aufzubringen. So kann sie beispielsweise haarfeine Kanäle beschichten.

Angedacht ist, dass die Reduktion des Sauerstoffs in sehr kleinen Reaktionsräumen stattfindet. „Durch die räumliche Nähe aller Reaktionspartner hoffe ich, die vier nötigen Elektronen relativ rasch auf den Sauerstoff übertragen zu können“, erklärt die Wissenschaftlerin der Universität Jena. Die Umladung muss deswegen so schnell erfolgen, weil sonst ungewollte Zwischenprodukte, wie Wasserstoffperoxid, entstehen. Die Titandioxidschicht wirkt dabei als Elektronenschwamm, der an Strom angeschlossen dafür sorgt, dass die Reaktion gezielt angeschoben wird.

Bevor die Chemikerin jedoch mit den Untersuchungen in solchen Mikrokanalsystemen beginnen kann, gilt es verschiedene Katalysatoren herzustellen und zu testen. Sie müssen dann ebenfalls auf der Titandioxidschicht verankert werden. Denn ohne Katalysatoren würden sich die Elektronen niemals freiwillig auf den Sauerstoff umladen lassen.

In unseren Körperzellen läuft dieser Vorgang fortwährend ab. Scheinbar spielend verbrennen wir Sauerstoff – ein Vorgang, den wir schlicht Atmung nennen – und gewinnen daraus Energie. Der technische Nachbau dieser natürlichen Kraftwerke gestaltet sich offenbar noch schwierig. Da werden noch so manche Projektanträge geschrieben und Gelder für die Grundlagenforschung bereitgestellt werden müssen, bevor Elektro-Autos mit Sauerstoff und Wasserstoff betankt über die Straßen rollen können.

Kontakt:
Dr. Susann Meyer
Institut für Technische Chemie und Umweltchemie der Universität Jena
Lessingstr. 12, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 948435
E-Mail: susann.meyer@uni-jena.de