Spinat: gut für Popeye und den Planeten

Chemische Experimente zeigen Potenzial für den Antrieb von Brennstoffzellen

19.10.2020 - USA

"Essen Sie Ihren Spinat" ist ein üblicher Verzicht vieler Menschen auf ihre Kindheit. Spinat, das herzhafte, grüne, nährstoffreiche Gemüsestückchen, liefert nicht nur beim Menschen Energie. Er hat auch das Potenzial, Brennstoffzellen anzutreiben, so ein neues Papier von Forschern der Chemieabteilung der AU. Wenn Spinat aus seiner blättrigen, essbaren Form in Kohlenstoff-Nanoblätter umgewandelt wird, wirkt er als Katalysator für eine Sauerstoffreduktionsreaktion in Brennstoffzellen und Metall-Luft-Batterien.

Eine Sauerstoffreduktionsreaktion ist eine von zwei Reaktionen in Brennstoffzellen und Metall-Luft-Batterien und ist normalerweise die langsamere, die die Energieabgabe dieser Geräte begrenzt. Forscher wissen seit langem, dass bestimmte Kohlenstoffmaterialien die Reaktion katalysieren können. Aber diese Katalysatoren auf Kohlenstoffbasis sind nicht immer so gut oder besser als die traditionellen Katalysatoren auf Platinbasis. Die AU-Forscher wollten eine kostengünstige und weniger toxische Vorbereitungsmethode für einen effizienten Katalysator finden, indem sie leicht verfügbare natürliche Ressourcen nutzen. Sie nahmen diese Herausforderung an, indem sie Spinat verwendeten.

"Diese Arbeit legt nahe, dass nachhaltige Katalysatoren für eine Sauerstoffreduktionsreaktion aus natürlichen Ressourcen hergestellt werden können", sagte Prof. Shouzhong Zou, Chemieprofessor an der AU und Hauptautor der Arbeit. "Die von uns getestete Methode kann hochaktive, kohlenstoffbasierte Katalysatoren aus Spinat herstellen, der eine erneuerbare Biomasse ist. Tatsächlich glauben wir, dass sie kommerzielle Platinkatalysatoren sowohl in Bezug auf Aktivität als auch Stabilität übertrifft. Die Katalysatoren sind potenziell in Wasserstoff-Brennstoffzellen und Metall-Luft-Batterien einsetzbar. Zou's ehemalige Post-Doktoranden Xiaojun Liu und Wenyue Li sowie der Student Casey Culhane sind die Koautoren der Arbeit.

Katalysatoren beschleunigen eine Sauerstoffreduktionsreaktion, um ausreichend Strom zu erzeugen und Energie zu erzeugen. Zu den praktischen Anwendungen für die Forschung gehören Brennstoffzellen und Metall-Luft-Batterien, die Elektrofahrzeuge und militärische Ausrüstung antreiben. Die Forscher machen Fortschritte im Labor und bei Prototypen mit Katalysatoren, die aus Pflanzen oder Pflanzenprodukten wie Rohrkolbengras oder Reis gewonnen werden. Die Arbeit von Zou ist die erste Demonstration, bei der Spinat als Material zur Herstellung von Katalysatoren für Sauerstoffreduktionsreaktionen verwendet wird. Spinat ist ein guter Kandidat für diese Arbeit, weil er bei niedrigen Temperaturen überlebt, reichlich vorhanden und leicht anzubauen ist und reich an Eisen und Stickstoff ist, die für diese Art von Katalysatoren unerlässlich sind.

Zou und seine Studenten schufen und testeten die Katalysatoren, bei denen es sich um vom Spinat abgeleitete Kohlenstoff-Nanoblätter handelt. Kohlenstoff-Nanoblätter sind wie ein Stück Papier mit einer Dicke im Nanometerbereich, tausendmal dünner als ein Stück menschliches Haar. Um die Nanoblätter herzustellen, unterzogen die Forscher den Spinat einem mehrstufigen Prozess, der sowohl Low- als auch Hightech-Methoden umfasste, darunter Waschen, Entsaften und Gefriertrocknen des Spinats, manuelles Mahlen mit Mörser und Stößel zu einem feinen Pulver und "Dotieren" des resultierenden Kohlenstoff-Nanoblatts mit zusätzlichem Stickstoff zur Verbesserung seiner Leistung. Die Messungen zeigten, dass die von Spinat abgeleiteten Katalysatoren eine bessere Leistung erbringen als Katalysatoren auf Platinbasis, die teuer sein können und mit der Zeit ihre Wirksamkeit verlieren.

Der nächste Schritt für die Forscher besteht darin, die Katalysatoren aus der Laborsimulation in Prototypen, wie z.B. Wasserstoff-Brennstoffzellen, einzusetzen, um zu sehen, wie sie funktionieren, und um Katalysatoren aus anderen Anlagen zu entwickeln. Zou möchte auch die Nachhaltigkeit verbessern, indem er den für den Prozess benötigten Energieverbrauch reduziert.

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