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Dr. Doris Grumelli
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Originalpublikation

Doris Grumelli, Benjamin Wurster, Sebastian Stepanow and Klaus Kern
Bio-inspired nanocatalysts for the oxygen reduction reaction

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Brennstoffzellen gelten als ein wichtiger Baustein der Energiewende, da sie elektrische Energie liefern, ohne zunächst aus fossilen Brennstoffen Hitze und Dampf erzeugen zu müssen. Vielmehr erzeugen sie die Energie direkt aus einer Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser. Deshalb können sie effizienter Energie erzeugen als Kohle- oder Gaskraftwerke. Heutige Brennstoffzellen brauchen allerdings für diese Reaktion teures Platin als Katalysator, was ihre breite Anwendung einschränkt. Ein Team des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung in Stuttgart hat sich von der Natur inspirieren lassen und einen alternativen Katalysator entwickelt. Er besteht aus organischen Molekülen sowie Eisen bzw. Mangan auf einer Metallunterlage. Diese Materialien sind günstiger und leichter verfügbar als Platin.
Die Aufnahme des Raster-Tunnelmikroskops zeigt, wie sich Eisen-Atome und organische Moleküle regelmäßig auf einer Gold-Unterlage anord Bild vergrößern
Die Aufnahme des Raster-Tunnelmikroskops zeigt, wie sich Eisen-Atome und organische Moleküle regelmäßig auf einer Gold-Unterlage anordnen. [weniger]

Menschen und Tiere gewinnen Energie aus der gleichen Reaktion wie Brennstoffzellen: Sie atmen Sauerstoff ein und verbinden ihn in ihren Zellen mit Wasserstoff zu Wasser. Bei dieser chemischen Umwandlung wird Energie frei, die der Organismus zum Leben nutzt. Der Gedanke, in der Natur nach einem Weg für den Ersatz des teuren Katalysators Platin zu suchen, liegt also nahe. Das Edelmetall treibt eine bestimmte Teilreaktion bei der Energieumwandlung in einer Brennstoffzelle an: die so genannte Reduktion von Sauerstoff. Dabei nimmt der Sauerstoff zwei oder vier Elektronen auf, je nachdem, ob er mit dem Wasserstoff direkt oder über die Zwischenstufe Wasserstoffperoxid zu Wasser reagiert.

Natürliche Sauerstoff-reduzierende Enzyme enthalten Metalle wie Eisen und Mangan, die leicht über die Nahrung verfügbar sind. Mit dem Enzym verbundene organische Moleküle halten Atome dieser Metalle fest, sodass der Sauerstoff dort andocken und reduziert werden kann. Klaus Kern und seine Mitarbeiterin Doris Grumelli vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung haben nun Eisen- und Manganatome zusammen mit organischen Molekülen auf eine Goldunterlage aufgedampft. Dabei haben sie festgestellt, dass sich die organischen Moleküle und die Metallatome von selbst zu Mustern anordnen, die den funktionalen Zentren von Enzymen stark ähneln. Es bildeten sich Netzwerke, bei denen einzelne Eisen- oder Manganatome von mehreren organischen Molekülen umgeben sind wie die Kreuzungspunkte in einem Jägerzaun.

Die Eisen-Atome (blau) und die organischen Moleküle (grün, schwarz) bilden ein Flechtmuster auf der Gold-Unterlage. Bild vergrößern
Die Eisen-Atome (blau) und die organischen Moleküle (grün, schwarz) bilden ein Flechtmuster auf der Gold-Unterlage.

Damit die Forscher die katalytische Funktion der Netzwerke testen konnten, mussten sie ein Transportsystem entwickelten, mit dem sie Proben aus einem Vakuum in Flüssigkeiten überführen können. Denn die neuen Oberflächenstrukturen wurden in einem sehr reinen Vakuum erzeugt, die Tests fanden aber außerhalb der Vakuumkammer in einer elektrochemischen Zelle statt. Es zeigte sich, dass die katalytische Aktivität von der Art des Metallzentrums, die Stabilität der Struktur hingegen von der Art der organischen Moleküle, die das Netzwerk bilden, abhing. Eisenatome führten zu einer zweistufigen Reaktion über die Zwischenstufe Wasserstoffperoxid, während Manganatome eine direkte Umwandlung von Sauerstoff zu Wasser bewirkten.

Für Brennstoffzellen interessant dürfte die letztere Reaktion sein, da Experten durch die  direkte Reaktion eine höhere Effizienz bei der Umwandlung der chemischen in elektrische Energie erwarten. „Doch auch die andere Variante könnte Anwendungen finden“, sagt Grumelli, „und zwar um die die Reaktion zu unterbrechen.“ Dies kann zum Beispiel bei Biosensoren eine Rolle spielen. Jedenfalls hat die Gruppe eine neue Art von Nanokatalysatoren geschaffen, die kostengünstig herzustellen sind und deren Ausgangsmaterialien reichlich vorhanden sind. Doris Grumelli arbeitet schon an einer neuen Variante solcher Strukturen: Mithilfe spezieller organischer Moleküle, die je ein Metallatom enthalten und zusätzlichen Metallatomen will sie eine Oberflächenstruktur schaffen, die gleichzeitig zwei Arten von Metallatomen enthalten. „Solche Strukturen könnten als Modellsystem für die biologische Forschung dienen“, sagt die Wissenschaftlerin.

 

CJM/HR

 
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