Preiswürdige Forschung für leistungsfähige Energiewandler

Dr. Karl Mayrhofer, Max-Planck-Institut für Eisenforschung in Düsseldorf erhielt am 23. Oktober 2013 den diesjährigen Wissenschaftspreis Elektrochemie von BASF und Volkswagen (wir berichteten). 1977 in Villach, Österreich, geboren leitet Mayrhofer heute die Forschergruppe Elektrokatalyse am MPI in Düsseldorf. Er gab uns Einblick in die Welt der Elektrokatalyse und ihrer Bedeutung für die Energieumwandlung.

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Herr Dr. Mayrhofer, herzlichen Glückwunsch zum Wissenschaftspreis Elektrochemie 2013. Mit dem Preis wird Ihre Arbeit an hochaktiven und gleichzeitig stabilen Elektrokatalysatoren für effizientere elektrochemische Energiewandler gewürdigt. Was sind Elektrokatalysatoren und worin genau liegt Ihr Beitrag?

Elektrokatalysatoren erhöhen die Geschwindigkeit von elektrochemischen Reaktionen und tragen damit ganz wesentlich zu einer günstigeren Energiebilanz bei Brennstoffzellen, neuen vielversprechenden Batteriesystemen oder der Wasserzerlegung bei. Die Elektrokatalyse gehört zum Gebiet der heterogenen Katalyse.

Wir verfolgen ein Gesamtkonzept: Mit der Entwicklung von innovativen Methoden haben wir das grundlegende Verständnis der Elektrokatalyse erweitert und darauf aufbauend Arbeiten zu höherer katalytischer Aktivität, neuen effektiveren Strukturdesigns und Materialkonzepten durchgeführt. Ich sage ganz bewusst „wir“, denn eigentlich habe nicht ich allein den Preis bekommen, sondern mein ganzes Team mit acht Doktoranden, fünf Postdocs und einer Technikerin – nur gemeinsam ist das zu schaffen.

Welche Rolle spielen die Katalysatoren in Brennstoffzellen?

Die Edelmetallkatalysatoren sind in der Brennstoffzelle für die Sauerstoffreduktion verantwortlich. Ohne Katalysator ist dieser chemische Prozess kinetisch gehemmt. Das heißt, er läuft nicht gut oder gar nicht ab. Bisher benötigt man viel Edelmetall, was natürlich die Kosten in die Höhe treibt. Das Ziel ist, möglichst viel Edelmetall einzusparen und im Idealfall ganz darauf zu verzichten.

Edelmetall einsparen und trotzdem eine hohe Aktivität gewährleisten – wie soll das gehen?

Es gibt viele Phänomene, die in der Zelle auftreten, die die Aktivität und Stabilität der Elektrokatalysatoren behindern und verringern. Erst wenn die Prozesse verstanden sind, können Lösungen entwickelt werden.

Und Sie wissen jetzt, was in der Zelle passiert?

Mit unseren neuen Versuchs- und Analysemethoden konnten wir die elektrochemischen Abbauprozesse unterschiedlicher Katalysatoren direkt sichtbar machen. Uns ist es erstmals gelungen, auf der Basis der Elektronenmikroskopie die identischen Katalysatorpartikel im Nanometermaßstab jeweils vor und nach dem Betrieb in einer elektrochemischen Zelle zu untersuchen. Damit konnten wir die elektrochemischen Degradationsvorgänge direkt visuell verfolgen und beschreiben: Es sind vielfältige strukturelle Veränderungen wie das Auflösen oder Verschmelzen der Partikel sowie die Korrosion des Trägermaterials und das Ablösen vom Trägermaterial.

Sie betreiben echte Grundlagenforschung. Welchen praktischen Nutzen hat Ihre Forschung bereits heute?

Basierend auf einer Rasterflusszelle mit kombinierter mikroskopischer Analyse der Reaktionsprozesse haben wir eine einzigartige vollautomatische Hochdurchsatz-Methode entwickelt, mit der wir sehr schnell Modellkatalysatoren gleichzeitig auf deren Aktivität, Stabilität und Selektivität untersuchen und somit optimale Zusammensetzungen identifizieren.

Dieser methodische Ansatz ist recht universell und ist nicht nur für die aktuellen Themengebieten der alternativen Energieumwandlung, wie z.B. elektrolytische Wasserspaltung, CO2-Reduktion, Brennstoffzellen, interessant, sondern auch für den Korrosionsschutz.

Das Verständnis welches wir mit den neuen Methoden aufgebaut haben, hat schon zum Design von neuen, stabileren Elektrokatalysatoren geführt. Sind die Materialien stabiler, so benötigt man geringere Mengen, was direkt zur Kostenreduktion führt. In Zusammenarbeit mit Carolina Galeano, Hetereogene Katalyse und Ferdi Schüth vom Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim haben wir eine mesoporöse käfigartige Graphit-Struktur (hollow graphitic spheres) mit sehr hoher spezifischer Oberfläche entwickelt in der der Platin-Legierungskatalysator fest sitzt. So kann er sich nicht ablösen und die große Oberfläche des porösen Trägermaterials ermöglicht eine große Menge wirksamen Katalysators auf kleinem Raum. (link zur Publikation: Toward Highly Stable Electrocatalysts via Nanoparticle Pore Confinement)

Der entwickelte sehr stabile Pt@HGS Brennstoffzellenkatalysator: rote Platin-Nanopartikel in porösen Kohlenstoffhohlkugeln (hollow graphitic spheres = HGS) in grüner Farbe. (Quelle: MPIE & MPI-KOFO)

Der entwickelte sehr stabile Pt@HGS Brennstoffzellenkatalysator: rote Platin-Nanopartikel in porösen Kohlenstoffhohlkugeln (hollow graphitic spheres = HGS) in grüner Farbe. (Quelle: MPIE & MPI-KOFO)

Arbeiten Sie bereits mit Firmen zusammen?

Eben genau auf dem Gebiet von Korrosionsschutzschichten arbeiten wir mit Arcelor Mittal und Thyssen Krupp Steel zusammen. Hier sind vor allem unsere Erkenntnisse der Ablösungsprozesse wertvoll. Für Umicore optimieren wir Katalysatoren.

Wohin geht der Weg. Was sind für Sie die größten Herausforderungen in naher Zukunft?

Die in-situ Diagnostik weiter auszubauen. Die jetzige Methode mit dem Lokalisieren auf Nanometermaßstab, dem Messen und anschließendem Wiederauffinden der Partikel ist sehr aufwendig und beansprucht zwei Tage. Die Elektronenmikroskopie läuft generell unter Vakuum ab. In jüngster Zeit haben Forscher jedoch gezeigt, dass es möglich ist, durch dünne Flüssigkeitsschichten Aufnahmen zu machen. Mit einer in-situ Elektronenmikroskopie könnten wir direkt bei den ablaufenden Prozessen zuschauen. Das wäre nicht nur spannend, sondern würde eine enorme Zeitersparnis für unsere Untersuchungen bedeuten.

Was würden Sie machen, wenn Sie nicht Elektrochemiker wären?

Wahrscheinlich wäre ich Atmosphärenforscher. In meiner Studienzeit habe ich mit dem Gedanken gespielt. Die gesamte Energie- und Umweltproblematik ist schon die treibende Kraft für meine Forschungsrichtung.

Das Interview führte Beatrix Dumsky

Veröffentlicht von

Beatrix Dumsky studierte Mineralogie an der Universität Heidelberg. Nach einer einjährigen Ausbildung zur PR-Referentin sammelte sie Erfahrung in einigen Agenturen bevor sie Ihren Traumjob in der Forschungskommunikation fand. Nach fast 15jähriger Presse- und Öffentlichkeitsarbeit für ein Institut der Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung und einer kurzen Phase als Freiberuflerin stieg sie Anfang 2013 bei der BASF-Forschungskommunikation ein. Hier spürt sie nach, wie aus der industriellen Forschung bei BASF marktfähige Innovationen werden.

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