Neuer Katalysator-Strategie steigert Schlüsselreaktion in Batterien von 12 auf 52 Prozent

Katalysatoren sind Materialien, die chemische Reaktionen beschleunigen und als wesentliche Bestandteile in Technologien wie Wasserstoff-Brennstoffzellen und Metall-Luft-Batterien fungieren. In diesen Systemen treiben sie die Reaktionen an, die zur Stromerzeugung führen.

Bisher verbessern Forscher Katalysatoren traditionell, indem sie das Zentralmetall – beispielsweise Eisen, Kobalt oder Nickel – austauschen oder die umgebende molekulare Struktur, den sogenannten Liganden, neu gestalten.

Die neue Studie verfolgt einen alternativen Weg: Der Katalysator bleibt weitgehend unverändert, während stattdessen das elektrische Feld in seiner unmittelbaren Umgebung modifiziert wird. Elektrische Felder spielen eine entscheidende Rolle bei diesem Fortschritt.

Was die Studie zeigt

Die Forscher zeigten, dass das Platzieren, den sogenannten Kationen, in der Nähe des Katalysators ein lokales elektrisches Feld erzeugt. Dieses Feld beeinflusst direkt den Ablauf der chemischen Reaktionen.

Das Team konzentrierte sich dabei auf die Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR), einen zentralen elektrochemischen Prozess, der in Brennstoffzellen und Metall-Luft-Batterien für die Stromerzeugung verantwortlich ist.

Die Optimierung dieser Reaktion ist seit langem ein wichtiges Ziel, da sie sich unmittelbar auf die Geräteeffizienz und den Energieverbrauch auswirkt. Experimente ergaben, dass der Anteil des gewünschten Reaktionswegs durch die Einführung des elektrischen Felds 12 Prozent auf bis zu 52 Prozent anstieg.

Was die Studie zeigt

Dies ermöglicht eine effizientere Reaktion bei geringerem Energieaufwand. Laut den Forschern deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die Leistung ihrer Umgebung optimiert werden kann, anstatt neue Katalysatormaterialien entwickeln zu müssen.

Ein solcher Ansatz könnte die zukünftige Katalysatorentwicklung vereinfachen und die Kosten für die Entwicklung neuer Materialien senken. Die Auswirkungen der Studie könnten sich über Batterien und Brennstoffzellen hinaus auf weitere Energiespeichertechnologien und Wasserstofftechnologien erstrecken.

Die Forscher glauben, dass das gleiche Prinzip auch auf Katalysatoren für die Umwandlung Wasserstoffproduktion anwendbar ist.

Was die Studie zeigt

Da viele Technologien für saubere Energie Katalysatoren einsetzen, um komplexe chemische Reaktionen zu steuern, könnte die Möglichkeit, diese Reaktionen durch die Anpassung lokaler elektrischer Bedingungen zu verbessern, ein neues Werkzeug für die Entwicklung effizienterer Systeme darstellen. „Diese Studie zeigt, dass Reaktionsparameter präzise ausschließlich über das umgebende elektrische Feld gesteuert werden können, ohne die Struktur des Katalysators selbst zu verändern", so Professor Hwang.

Die Forscher betonen, dass ihre Ergebnisse einen neuen Ansatz für die Katalysorentwicklung eröffnen, indem der Fokus auf sein Betriebsumfeld verlagert wird.

Die im Rahmen der Studie untersuchte Sauerstoffreduktionsreaktion ist ein Kernprozess in Wasserstoffbrennstoffzellen, die Strom aus Wasserstoff und Sauerstoff erzeugen, sowie in Metall-Luft-Batterien, die atmosphärischen Sauerstoff als Teil des Energiespeicherprozesses nutzen. „Wir erwarten, dass dies einen neuen Weg für die Entwicklung nächsten Generation, Brennstoffzellen und umweltfreundlicher Katalysortechnologien eröffnet", fügte Hwang hinzu.

Falls dieser Ansatz skaliert und auf verschiedene Katalysatorsysteme angewendet werden kann, könnte er die Leistung einer breiten Palette, ohne dass völlig neue Katalysatormaterialien erforderlich sind. Die Studie wurde im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht.