Ein von einem internationalen Forscherteam neu entwickelter Brennstoffzellentyp liefert Energie und Feinchemikalien abfallfrei aus erneuerbaren Rohstoffen. Wie die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ berichten, wandelt die so genannte metallorganische Brennstoffzelle, Alkohole und Zucker effizient in Carbonsäuren um. Kohlendioxid wird dabei nicht freigesetzt.
Anders als die etablierten Alkohol-Brennstoffzellen, die direkte Alkohol-Brennstoffzelle und die enzymatische Bio-Brennstoffzelle, arbeitet die metallorganische Brennstoffzelle – organometallic fuel cell (OMFC) – nach einem völlig anderen Prinzip. Erfolgsgeheimnis ist ein spezieller molekularer Komplex des Metalls Rhodium, der als Anoden-Katalysator fungiert.
Katalytischer Kreislauf
Die Wissenschaftler um Hansjörg Grützmacher, Francesco Vizza und Claudio Bianchini von der ETH Zürich sowie Kollegen vom Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) in Sesto Fiorentino, Italien, scheiden den Komplex feinst verteilt auf Kohlenstoffpulver als Träger ab. Das Interessante: Der aktive Katalysator bildet sich während der chemischen Reaktion – und er verändert sich schrittweise im Verlaufe des katalytischen Kreislaufs.
Auf diese Weise entstehen aus einem einzigen Metallkomplex verschiedene Katalysatoren, die jeweils für die einzelnen Reaktionsschritte spezifisch sind: die Umwandlung vom Alkohol wie Ethanol in den entsprechenden Aldehyd, vom Aldehyd in die entsprechende Carbonsäure (z.B. Essigsäure), außerdem für den Transfer von Protonen (H+) und von Elektronen. Nicht nur Alkohole, auch Zucker wie Glucose können auf diese Weise umgesetzt werden.
Durchbruch in der Brennstoffzellen-Technologie?
Die Forscher hoffen, dass sich ihr neuer Ansatz als Durchbruch in der Brennstoffzellen-Technologie erweisen könnte. Ein besonderer Vorteil der neuen Technik ist, dass molekulare Metallkomplexe in verschiedenen Lösungsmitteln löslich sind und sich auf diese Weise extrem fein auf sehr kleinen Oberflächen verteilen lassen. Dennoch liefern sie eine erstaunlich hohe Leistungsdichte.
Dies könnte nach Angaben der Chemiker ein Weg sein, Brennstoffzellen weiter zu miniaturisieren und sie so beispielsweise als Stromquelle für biologische Anwendungen wie Herzschrittmacher und für Biosensoren, etwa zur in-vivo Verfolgung von Stoffwechselvorgängen, zugänglich zu machen.
Maßgeschneiderte Katalysator-Struktur
Durch die geschickte Kombination einer maßgeschneiderten molekularen Katalysator-Struktur mit einem passenden Trägermaterial könnten den Forschern zufolge künftig Brennstoffzellen entwickelt werden, die Ausgangsstoffe mit mehreren Alkohol-Gruppen selektiv und gezielt in ganz bestimmte wertvolle Feinchemikalien umsetzen, ohne dass Abfallprodukte entstehen. Eine Aufgabe, die mit traditionellen Methoden nur extrem schwer zu realisieren ist.
(idw – Gesellschaft Deutscher Chemiker, 28.09.2010 – DLO)
