Forscher entwickeln günstigen und effizienten Ethanolkatalysator aus lasergeschmolzenen Nanopartikeln

Ethanol-Brennstoffzellen gelten als vielversprechende Quelle für grünen Strom. Allerdings werden bei ihrer Herstellung teure Platinkatalysatoren verwendet. Forschungen zum Laserschmelzen von Suspensionen, die am Institut für Kernphysik der Polnischen Akademie der Wissenschaften in Krakau durchgeführt wurden, haben Forscher zu Materialien geführt, die Ethanol mit einer ähnlichen – und möglicherweise sogar größeren – Effizienz wie Platin katalysieren, aber aus einem Element bestehen das ist um ein Vielfaches günstiger als Platin.

Wenn Laserpulse eine Suspension von Nanopartikeln bestrahlen, können die Partikel in der Suspension beginnen zu schmelzen und dauerhaft zusammenzukleben, während sie schnell mehr oder weniger komplexe chemische Reaktionen eingehen. Eines der jüngsten auf diese Weise gewonnenen Materialien, hergestellt am Institut für Kernphysik der Polnischen Akademie der Wissenschaften (IFJ PAN) in Krakau, weist eine unerwartet hohe Effizienz bei der Katalyse von Ethanol auf, einer Verbindung, die als vielversprechende Energiequelle gilt Quelle für Brennstoffzellen.

Ethanol ist ein Kraftstoff mit vielen Vorteilen: Er lässt sich auf erneuerbare Weise herstellen (z. B. aus Biomasse), lässt sich leicht lagern und weist eine geringe Toxizität auf. Besonders hervorzuheben ist jedoch die Tatsache, dass aus einer Einheitsmasse Ethanol im Vergleich zu derzeit gängigen Stromquellen bis zu ein Vielfaches an Strom gewonnen werden kann.

Strom in ethanolbetriebenen Brennstoffzellen wird durch Prozesse erzeugt, die mit der Oxidation dieses Alkohols auf der Katalysatorschicht der Reaktion verbunden sind. Leider ermöglichen aktuelle Katalysatoren keine schnelle und vollständige Oxidation von Ethanol zu Wasser und Kohlendioxid. Dadurch erreichen die Zellen nicht nur ihre maximale Effizienz, sondern produzieren auch unerwünschte Nebenprodukte, die sich auf dem Katalysator ablagern und mit der Zeit zum Verschwinden seiner Eigenschaften führen.

„Ein erhebliches Hindernis für den kommerziellen Erfolg von Ethanolzellen ist auch ihr Preis. Der von uns gefundene Katalysator kann einen erheblichen Einfluss auf seine Reduzierung und damit auf die Verfügbarkeit neuer Zellen auf dem Verbrauchermarkt haben. Dies liegt an seinem Hauptbestandteil.“ ist nicht Platin, sondern Kupfer, das fast 250-mal billiger ist als Platin“, sagt Dr. Mohammad Shakeri (IFJ PAN), Erstautor des Artikels in der Zeitschrift Fortschrittliche Funktionsmaterialien.

Die Leistung der Wissenschaftler des IFJ PAN ist das Ergebnis der Forschung zur Laserkontrolle der Größe und chemischen Zusammensetzung von Agglomeraten in Suspensionen. Die Grundidee der Laser-Nanosynthese von Verbundwerkstoffen ist die Bestrahlung einer Suspension, die Agglomerate von Nanopartikeln einer bestimmten chemischen Substanz enthält, mit Impulsen unfokussierten Laserlichts mit entsprechend ausgewählten Parametern.

Durch die gezielt zugeführte Energie steigt die Temperatur der Partikel, sie schmelzen an der Oberfläche und verklumpen zu immer größeren Strukturen, die bei Kontakt mit der umgebenden kühlen Flüssigkeit schnell abkühlen. Die von den Partikeln erreichte Temperatur wird von vielen Faktoren bestimmt, darunter der Energie der vom Laser emittierten Photonen, der Intensität des Strahls, der Frequenz und Länge der Impulse und sogar der Größe der suspendierten Agglomerate.

„Abhängig von der Temperatur, die die Agglomerate erreichen, können neben Veränderungen rein struktureller Natur auch verschiedene chemische Reaktionen im Material ablaufen. Bei unserer Forschung haben wir uns auf eine möglichst genaue theoretische und experimentelle Analyse der physikalischen und chemischen Phänomene konzentriert Suspensionen, in denen Laserlichtimpulse von Nanopartikeln aus Kupfer und seinen Oxiden absorbiert wurden“, erklärt Dr. Zaneta Swiatkowska-Warkocka (IFJ PAN).

Bei realen Lösungspartikeln erfolgt der Temperaturanstieg in Nanosekunden, zu schnell, um gemessen zu werden. In dieser Situation waren theoretische Analysen der Molekulardynamik der erste Schritt zum Verständnis der untersuchten Kupfersysteme, unterstützt in späteren Phasen durch Simulationen, die vom Prometheus-Computercluster aus Krakau durchgeführt wurden.

Dadurch ermittelten die Forscher, auf welche Temperaturen sich die unterschiedlich großen Agglomerate erhitzen und welche Verbindungen sich dabei bilden könnten. Darüber hinaus prüften sie, ob diese Verbindungen thermodynamisch stabil sind oder weitere Umwandlungen durchlaufen. Die gewonnenen Erkenntnisse nutzten die Physiker zur Vorbereitung einer Versuchsreihe, bei der Nanopartikel aus Kupfer und seinen Oxiden in unterschiedlichen Anteilen laserverschmolzen wurden.

Die erhaltenen Verbundwerkstoffe wurden unter anderem in den Laboren des IFJ PAN und im Krakauer SOLARIS-Zyklotron getestet, um den Oxidationsgrad von Kupferverbindungen zu bestimmen. Die gewonnenen Informationen ermöglichten es den Forschern, den optimalen Katalysator zu identifizieren. Es stellte sich heraus, dass es sich um ein Dreikomponentensystem handelte, das aus geeigneten Anteilen von Kupfer und seinen Oxiden der ersten und zweiten Oxidationsstufe (also Cu2O und CuO) aufgebaut war.

„Aus Sicht der Effizienz der Ethanolkatalyse war die entscheidende Entdeckung, dass in unserem Material Partikel des normalerweise thermodynamisch sehr instabilen Kupferoxids Cu2O3 vorhanden waren. Sie zeichnen sich einerseits durch einen extrem hohen Oxidationsgrad aus Andererseits fanden wir sie hauptsächlich auf der Oberfläche der Cu2O-Partikel, was in der Praxis bedeutet, dass sie einen sehr guten Kontakt mit der Lösung hatten. Es sind diese Cu2O3-Partikel, die die Adsorption der Alkoholmoleküle und das Aufbrechen der Alkoholmoleküle erleichtern Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen in ihnen“, erklärt Dr. Shakeri.

Tests zu den Eigenschaften des von den Krakauer Physikern hergestellten Katalysators endeten mit optimistischen Ergebnissen. Der ausgewählte Verbundstoff behielt die Fähigkeit, Ethanol auch nach mehrstündiger Verwendung vollständig zu oxidieren. Darüber hinaus erwies sich seine elektrokatalytische Effizienz als vergleichbar mit der moderner Platinkatalysatoren.

Aus wissenschaftlicher Sicht ist dieses Ergebnis geradezu erstaunlich. Die Katalyse verläuft im Allgemeinen umso effizienter, je größer die Oberfläche der Agglomerate ist, was mit der Fragmentierung ihrer Struktur zusammenhängt. Der untersuchte Verbundwerkstoff hatte jedoch keine Nanometergröße, sondern mehrere Größenordnungen größere Submikrometergröße. Es ist daher wahrscheinlich, dass die Effizienz des neuen Katalysators noch weiter steigen könnte, wenn es den Physikern in Zukunft gelingt, die Größe der Partikel zu verringern.