Karbonisierter Melaminschaum, der von einem Team unter der Leitung von Jaephil Cho am Ulsan National Institute of Science and Technology (Korea) vorgestellt wurde, ist ein neuartiger hocheffizienter Elektrokatalysator zur Sauerstoffreduktion in Brennstoffzellen und Batterien. Er bietet eine Lösung, mit der sich die Kosten senken lassen, die aber dennoch hocheffiziente Metall-Luft-Batterien und Brennstoffzellen ermöglicht.
Ein Team koreanischer und amerikanischer Wissenschaftler hat ein neuartiges Elektrodenmaterial auf Basis von kostengünstigem Melaminschaum und Ruß vorgestellt. Die hohe Porosität ermöglicht einen schnellen Stofftransport, und die hohe Anzahl katalytisch aktiver Zentren erhöht die Sauerstoffreduktionsaktivität der Kathoden für Brennstoffzellen und Metall-Luft-Batterien drastisch.
An den Kathoden von Brennstoffzellen und Metall-Luft-Batterien findet die elektrochemische Reduktion von Sauerstoff statt, die sogenannte Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR). Diese Reaktion wird aufgrund ihrer geringen Geschwindigkeit erheblich gehemmt, wodurch die Effizienz der Zellen geringer ausfällt als sie sein könnte.
Die katalytische Kathode muss dafür sorgen, dass Sauerstoff mit Wasser reagiert und Elektronen aufnimmt, um in alkalischer Lösung OH-Ionen zu bilden. Das Problem besteht darin, dass in einem komplexen System aus festen, flüssigen und gasförmigen Reaktanten die Transportprozesse oft zu langsam sind und den Prozess behindern, insbesondere bei der Entladung mit höheren Stromdichten.
Kathoden aus einem porösen Kohlenstoffträger (Ruß), auf dem ein katalytisch aktives Metall wie Platin fein verteilt ist, können diese kinetische Hemmung sehr effektiv minimieren. Allerdings sind sie teuer und wenig stabil, was sie für eine breite Anwendung ungeeignet macht.
Ein Team unter der Leitung von Jaephil Cho am Ulsan National Institute of Science and Technology (Korea) und Meilin Liu am Georgia Institute of Technology (USA) hatte sich daher zum Ziel gesetzt, eine wirtschaftlichere Alternative zu entwickeln.
Sie ließen sich von der Tetrapodenstruktur (griechisch tetra: vier, podes: Füße) von Wellenbrechern inspirieren, um einen neuen, hocheffizienten Elektrokatalysator zu entwickeln. Tetrapoden, deren vier „Füße“ auf die Ecken eines imaginären Tetraeders zeigen, werden an der Küste sowie in der Nähe von Dämmen und Piers errichtet, um die Wucht der ans Ufer schlagenden Wellen zu dämpfen. Mit ihren vielen großen Hohlräumen bieten diese Strukturen zudem Schutz für Meereslebewesen. Wird Melaminschaum pyrolysiert und mit Mörser und Stößel zermahlen, entstehen mikroskopisch kleine Fragmente, die Tetrapoden ähneln.
Die Wissenschaftler behandelten Melaminschaum mit Eisenchlorid und stickstoffdotiertem Ketjenschwarz (leitenden Rußpellets). Sie karbonisierten dieses Produkt und extrahierten es mit Schwefelsäure. Die entstandenen, mit Ruß-Nanopartikeln besetzten Nanotetrapoden besitzen eine sehr hohe spezifische Oberfläche, eine große Anzahl katalytisch aktiver Zentren (Fe/Fe3C- und CN-Gruppen) und viele Poren, die einen schnellen Massentransport ermöglichen. Kathoden aus diesem neuen Elektrodenmaterial sind äußerst langlebig und bieten eine hervorragende Leistung, vergleichbar mit denen von Kathoden auf Metallbasis – und das zu einem deutlich niedrigeren Preis. Sie könnten einen vielversprechenden Ausgangspunkt für eine neue Generation kostengünstiger und hocheffizienter Metall-Luft-Batterien und Brennstoffzellen darstellen.
SINOYQX unterstützt einige Institutionen und Universitäten in China bei der Karbonisierung von Melaminschaum zur Reduzierung des Sauerstoffgehalts in Brennstoffzellen und Batterien.
Einige Zitate stammen von http://www.chemistryviews.org/details/ezine/4153391/Inspired_by_a_Breakwater.html