Kohlenstoffmaterialien im neuen Licht zukünftiger Anwendungen

Nicht nur als Diamant wertvoll

von Prof. Dr. Christina Roth

Kohlenstoff ist ein Element, das vorrangig mit der belebten Natur in Verbindung gebracht wird. Alles lebende Gewebe ist aus organischen Kohlenstoffverbindungen aufgebaut. Geologisch kommtdas Element der 4. Hauptgruppe dagegen vor allem in Karbonatmineralien vor. Vor dem Hintergrund der steten Verknappung fossiler Ressourcen wird Kohlenstoff gerne auch mit Erdöl und Kohle in Verbindung gebracht. Dabei kommt elementarer Kohlenstoff hauptsächlich in zwei Modifikationen vor, die von ihren Eigenschaften verschiedener nicht sein könnten: Grafit und Diamant (Abb. 1). Sp3-hybridisierter Diamant ist transparent, nichtleitend und äußerst hart. Im Gegensatz dazu ist Grafit schwarz, elektrisch gut leitend und seine ausgeprägte Schichtstruktur lässt sich leicht abscheren, weshalb Grafit gerne als Mine in Schreibutensilien zur Anwendung kommt. Aufgrund seiner Seltenheit ist natürlicher Diamant um ein Vielfaches teurer als Grafit. Aber das könnte sich in naher Zukunft schon ändern. Nämlich dann, wenn Ruße und Grafite weiterhin so stark in der Energietechnologie nachgefragt werden.

Im 21. Jahrhundert gewinnen Energietechnologien, welche die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen reduzieren könnten, immer mehr an Bedeutung. So sind Brennstoffzellen (BZ), die effizient, lautlos und ohne bewegte Teile chemische Energie direkt in Strom umwandeln, eine interessante Option für den Einsatz in der Hausenergieversorgung, aber auch mobil in Elektroautos und kleinen portablen Kommunikations- und Elektronikgeräten. Neben effizienten Energiewandlern stehen vor allem neuartige Speichertechnologien im Mittelpunkt des Interesses. Lithiumionenbatterien zum Beispiel sind mittlerweile untrennbar mit dem Begriff der Elektromobilität verbunden. Und Redox-Flow-Batterien (RFB), in denen beispielsweise flüssige Vanadiumlösungen unterschiedlicher Vanadium-Wertigkeit eine poröse Elektrode durchströmen, werden als große stationäre Speicherlösungen in Kombination mit Windparks diskutiert.
Abbildung 2 zeigt den schematischen Aufbau eines elektrochemischen Energiespeichers (= Batterie) bzw. Energiewandlers (= Brennstoffzelle). Die Systeme sind aus Anode, Kathode und Elektrolyt aufgebaut, sodass der Ionenstrom durch den Elektrolyten fließt, während die Elektronen den Weg durch einen äußeren Leiter nehmen müssen. Die Eleganz des Prinzips besteht darin, dass die genutzten Redoxreaktionen räumlich getrennt werden. Dies kann z. B. durch eine ionen-, aber nicht elektronenleitende Membran realisiert werden. In all den oben genannten Anwendungen werden Kohlenstoffmaterialien eingesetzt (Abb. 3). Während Kohlenstoff in Lithiumionenbatterien entweder als Anode Lithium ein- und auslagert oder einfach nur als Additiv zur verbesserten Elektronenleitung in der Kathode dient [1], ist er in Niedertemperatur-BZ auch dazu da, die Katalytisch aktiven Platinnanopartikel zu fixieren. Als Katalysatorträger hat er außerdem auch einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf die Mikrostruktur der Elektrode [2]. In RFB haben die Kohlenstoffmaterialien selbst auch eine elektrokatalytische Funktion, die bis jetzt noch nicht restlos aufgeklärt ist [3]. Dies muss jedoch anders werden, will man maßgeschneiderte Materialien gezielt für eine bestimmte Anwendung entwickeln. Unsere Arbeitsgruppe will Kohlenstoffmaterialien für den Einsatz in Batterien und Brennstoffzellen optimieren. Dazu ist es zuallererst einmal notwendig, ihre genaue Funktion zu kennen und zu verstehen. Es wird vermutet, dass in RFB vor allem die funktionellen Gruppen an der Oberfläche der Kohlenstoffmaterialien wichtig sind. An ihnen läuft die elektrokatalytische Reaktion ab, Bindungen werden geknüpft, andere gespalten. Mehrere Mitarbeiter versuchen mithilfe neuer Methoden, die sich auch im realistischen Betrieb (in operando) anwenden lassen, Einblick in diese elementaren Prozesse zu gewinnen [4]. Dabei kommen u. a. Röntgenweitwinkelmessungen (WAXS) und Paarverteilungsfunktionsanalyse (PDF) sowie Röntgenramanstreuung (XRS) an verschiedenen Synchrotronquellen zum Einsatz. Allerdings stellen sowohl Kohlenstoff als auch Lithium eine Herausforderung für in operando-Untersuchungen dar, weil deren Absorptionskanten im niederenergetischen Bereich liegen. Um jedoch die Batterie oder Brennstoffzelle durchdringen zu können, benötigt man hochenergetische Strahlung, damit Vorgänge in ihrem Inneren sichtbar gemacht werden können.
Für eine optimale Funktion ist außerdem die Mikrostruktur der Elektrode wichtig. Reagierende Spezies müssen die katalytisch aktiven Zentren erreichen können, Elektronen und Ionen ungehindert an- und abtransportiert werden. Dazu sind vor allem Porosität und Verteilung entscheidende Kenngrößen. Abbildung 4 zeigt das Falschfarbenbild eines Dünnschnitts durch eine Brennstoffzellenanode. Es lässt sich eindeutig erkennen, dass die Morphologie des Kohlenstoffträgers (Inset: ein Rußagglomerat) die Struktur der Elektrode diktiert. Hier hat unsere Arbeitsgruppe es sich zum Ziel gesetzt, den Einfluss der Elektrodenstruktur auf die Leistung einer Brennstoffzelle besser zu verstehen. Dazu entwickeln wir an der TU Darmstadt und am Karlsruher Institut für Technologie neue Methoden zur Präparation der Elektroden und für deren Abbildung. Aber auch die gezielte Strukturierung der Elektroden ist ein interessantes Forschungsgebiet. Hier stellen wir Polymerfasern über Elektrospinning her, die dann anschließend karbonisiert und als elektronenleitfähiges Rückgrat in Batterieelektroden eingesetzt werden. Dabei ist es uns wichtig, die Grenzfläche zwischen dem elektronenleitenden Faserskelett und der eingebetteten ionenleitenden Phase genau abzubilden und die Transportprozesse im Detail zu verstehen. Erst seit Kurzem erscheint uns Kohlenstoff in einem neuen, strahlenden Licht. Viele Kohlenstoffmaterialien sind vergleichsweise preiswert, stabil und ungemein vielseitig und ihr Siegeszug in elektrochemischen Energieanwendungen ist nicht aufzuhalten. Kohlenstoff als neues Funktionsmaterial? Warum nicht! Kohlenstoffnanoröhren und Graphen haben bereits die Bestsellerlisten der wissenschaftlichen Journale erobert. Und wer weiß, vielleicht wird Grafit uns bald so wichtig und teuer sein wie Diamant.

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Literatur:

[1] W.-R. Liu, Z.-Z. Guo, W.-S. Young, D.-T. Shieh, H.-C. Wu, M.-H. Yang, N.-L. Wu, J. Power Sources 140 (2005) 139.
[2] F. Ettingshausen, J. Suffner, S. Kaserer, H. Hahn, C. Roth, Adv. Energy Mater.1 (2011) 648.
[3] Y. Shao, X. Wang, M. Engelhard, C. Wang, S. Dai, J. Liu, Z. Yang, Y. Lin, J. Power Sources 195 (2010) 4375.
[4] Polymer electrolyte membrane and direct methanol fuel cell technology (Volume 2): In-situ characterization techniques for low temperature fuel cells, C. Hartnig, C. Roth (eds), Woodhead Publishing (2012).

Foto: © Prof. Dr. Christina Roth