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18.06.2021

08.06.2021

Katalysatoren auf Basis von Phosphor für umweltschonenden Zink-Luft-Batterien



Chemiker der Universität Paderborn und der Technischen Universität Dresden haben zusammen mit einem internationalen Wissenschaftlerteam nachhaltige Sauerstoff-Elektrokatalysatoren für den Einsatz in umweltschonenden Zink-Luft-Batterien untersucht. Bislang werden dafür Materialien wie Edelmetalle verarbeitet, die Unzulänglichkeiten in Bezug auf Vorkommen und Kosten sowie elektrochemische und katalytische Kapazitäten aufweisen.

Die Forscher haben deshalb eine bestimmte Phosphor-Variante so präpariert, dass sie die Reaktionsleistung der für die Batterie notwendigen Sauerstoffentwicklung deutlich steigern konnten - ohne dafür Edelmetalle einzusetzen. Damit haben sie gleichzeitig den ersten sogenannten bifunktionalen phosphorbasierten metallfreien Sauerstoff-Katalysator entwickelt. Ihre Ergebnisse wurden jetzt im renommierten Fachmagazin "Advanced Materials" veröffentlicht.

"Wiederaufladbare Zink-Luft-Batterien zählen aktuell zu den vielversprechendsten Energietechnologien. Elektrokatalysatoren sind dabei für die Sauerstoff-Evolutionsreaktion und die Sauerstoff-Reduktionsreaktion verantwortlich, sie steuern den Lade-/Entlademechanismus. Man spricht deshalb auch von bifunktionalen Prozessen", erklärt Mitautorin Dr. Ramya Kormath Madam Raghupathy, Postdoc-Stipendiatin im Arbeitskreis "Theoretische Chemie" von Prof. Dr. Thomas Kühne an der Universität Paderborn.

Metallfreie Katalysatoren, zu denen der in den Studien eingesetzte Phosphor gehört, sind deshalb so attraktiv, weil dabei kostengünstige und ressourcenreiche Elemente verwendet werden. "In jüngster Zeit hat sich insbesondere schwarzer Phosphor aufgrund seiner guten Eigenschaften wie z. B der hohen Ladungsträgerbeweglichkeit als geeignetes Material herauskristallisiert", so Kormath Madam Raghupathy weiter.

Die Wissenschaftler haben durch kovalente Bindung - also die atomare Bindung zwischen Nichtmetallen - von Phosphor mit graphitischem Kohlenstoffnitrid den ersten metallfreien bifunktionalen Sauerstoff-Elektrokatalysator entwickelt. Dazu Kormath Madam Raghupathy: "Die hohe Sauerstoff-Evolutionsreaktion übertrifft alle bisherigen metallfreien Katalysatoren auf Phosphor-Basis.

Wir konnten mithilfe von experimentellen Studien und Berechnungen die entscheidende Rolle der Grenzflächen-Bindungen bei der Regulierung der Elektronenumverteilung bestätigen." Künftig könnte das Prinzip eine leistungsstarke Strategie für die Herstellung von Katalysatoren sein, die für verschiedene Energiespeicher- und Umwandlungsanwendungen benötigt werden.

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Quelle: Universität Paderborn