Wie die Natur: Mit Eisenmolekülen Wasserstoff spalten

Richland (USA) - Brennstoffzellen als Antrieb würden Autos und andere Maschinen aller Art umweltfreundlicher machen, erzeugen sie doch elektrische Energie aus Wasserstoff und Luft. Doch ihre hohen Kosten bremsen den Erfolg: Bislang war teures Platin im Katalysatormaterial kaum verzichtbar. Jetzt vermelden US-Chemiker die ersten Katalysatormoleküle auf Eisenbasis, welche Wasserstoff bei Raumtemperatur direkt in Strom wandeln helfen. Sie arbeiten schnell und vergleichbar effizient wie bisherige Platinkatalysatoren, berichten das Forscherteam im Fachblatt „Nature Chemistry“. Es hatte sich an natürlichen Enzymen orientiert, die etwa beim Umwandeln von Biomasse in Methan beteiligt sind. Das neue Material schlägt andere günstige Alternativen aus Kombinationen von Ersatzmetallen, an denen Forschergruppen weltweit arbeiten.

„Ein Missstand heutiger Brennstoffzellen ist, dass das Platin, das sie brauchen, mehr als tausendmal teurer ist als Eisen“, berichtet R. Morris Bullock vom staatlichen Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) der USA. Am Center for Molecular Electrocatalysis hatte sein Team verschiedene katalytische Roh-Moleküle auf Eisenbasis konstruiert und das effizienteste von ihnen in punkto Aufbau und Wirksamkeit weiter verbessert. Im Kern muss jedes Katalysatormaterial die Bindungen eines Wasserstoffmoleküls (H2) aufbrechen, um in einer Reihe von Schritten zwei Elektronen für den Stromfluss zu befreien und Richtung Elektrode schicken. Gleichzeitig sind die zwei dann überflüssigen Wasserstoffprotonen (2H+) bereitzustellen, damit sie mit Sauerstoff (O) aus der Luft zu Wasser (H2O) kombinieren, also oxidieren. Bestens geeignet dafür sind die elektrochemischen Eigenschaften von Platin, die die Bindungsenergien des Wasserstoffmoleküls durcheinanderbringen – Eisen oder Nickel allein eignen sich dafür nicht. Allerdings haben andere Forscher in den Vergangenen Jahren erste Erfolge auch mit Materialkombinationen vermeldet, etwa von Eisen mit Kobalt und Ruß oder von Eisen mit Schwefel .

Doch mit einem Trick, den auch Methan bildende Mikroben in der sogenannten Hydrogenase nutzen, gelingt das Bindungsspalten auch mit Eisen allein: Bullock und seine Kollegen Tianbiao "Leo" Liu und Dan DuBois konstruierten sich dazu zahlreiche Moleküle aus eingebetteten Eisenatomen mit „Armen“ organischer Moleküle, deren anhängende Amine quasi als Umschlagplatz für die Wasserstoffprotonen arbeiten: Sie gehen bevorzugt Bindungen mit ihnen ein, um die Elektronen freizusetzen – idealerweise erst das eine, dann das andere. Je nach der leicht unterschiedlichen räumlichen Struktur unterschied sich die Wirksamkeit der Katalysator-Moleküle. Das beste Material spaltete zwei Wasserstoffmoleküle pro Sekunde und lieferte mit 160 bis 220 Millivolt eine Effizienz, die den meisten kommerziell erhältlichen Katalysatoren entspricht, so die Forscher.

Ihre neuen Moleküle „reproduzieren effektiv die Funktion des Enzyms und oxidieren Wasserstoff mit den höchsten Umwandlungsfrequenzen, die bisher für Eisenmolekülkomplexe berichtet wurden.“ Die nächste Herausforderung für das Team ist, den Prozess zu beschleunigen, indem sie die langsamsten Vorgänge im Prozess identifizieren und verbessern.