Electrocatalysis in Microbial Fuel Cells: Low Cost Anode Electrocatalysts for Microbial Fuel Cells (Elektrokatalyse in mikrobiellen Brennstoffzellen)
Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Projekt wandelte sich von einem ursprünglich ausschließlich Anoden‐orientierten Forschungsvorhaben in ein Vorhaben, welches sowohl Anoden‐ als auch Kathodenprozesse untersucht. Hierfür waren zwei Rahmenbedingungen ausschlaggebend: Zum einen eignen sich die im Projekt schwerpunktmäßig untersuchten Elektrokatalysatoren nicht nur als Oxidationskatalysatoren, sondern auch als Reduktionskatalysatoren (z.B. zur Wasserstofferzeugung), zum andern ist es gerade die Kathodenentwicklung, welche sich im Feld der mikrobiellen bioelektrochemischen Systeme in den letzten Jahren als besondere Forschungs‐ notwendigkeit herauskristallisiert hat. Das Forschungsprojekt ist inhaltlich noch nicht abgeschlossen. Es lassen sich jedoch bereits folgende Ergebnisse und Schlussfolgerungen zusammenfassen: Wolframcarbid besitzt bezüglich elektrokatalytischer Oxidationsreaktionen auch bei neutralen pH‐Werten sehr gute und in einige Belangen Platin überlegene Eigenschaften, wird sich aber durch seine geringe chemische Stabilität bei neutralem pH besonders gegen die in den letzten Jahren entwickelten Biofilmanoden vermutlich nicht durchsetzen. Durch seine gute Wasserstoffreduktionsaktivität bei unter kathodischer Polarisation deutlich verringerter Korrosion empfiehlt sich Wolframcarbid als Alternative zu Platin als Elektrokatalysator in mikrobiellen Elektrolyseuren. Alternativ zum Wolframcarbid bieten sich auch andere Katalysatoren desselben Verbindungstyps an, mit teilweise deutlich besserer chemischer Stabilität, allerdings mit deutlichen Abstrichen in der katalytischen Aktivität. Auch bei der Sauerstoffreduktionskatalyse besitzen edelmetallfreie Elektrokatalysatoren Vorteile gegenüber Platin. Nominell etwas niedrigere Strom/Spannungsperformance wird durch eine geringere Kreuz‐Sensitivität und durch deutlich geringere Kosten kompensiert. Die Kombination von thermischer (pyrolytischer) und plasma‐basierter Präparation erlaubt eine deutliche Steigerung der Aktivität Eisenphthalocyanin basierter Sauerstoffreduktionskatalysatoren. Eine direkte kommerzielle Verwertung der Ergebnisse ist bisher nicht zu erwarten. Jedoch sollen die Ergebnisse in Folgeprojekten mit Anwendungsbezug, unter anderem im Aufbau eines anwendungsnahen Prototypen einer mikrobiellen Brennstoffzelle/ Elektrolyseurs zum Einsatz in der Abwasserreinigung ausgebaut werden. Weiterhin werden die Arbeiten zur edelmetallfreien elektrolytischen Wasserstofferzeugung auch unter dem Aspekt der Speicherung elektrischer Energie („Windgas“) in Zusammenarbeit mit einem Industriepartner fortgeführt und ausgebaut.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Effects of substrate and metabolite crossover on the cathodic oxygen reduction reaction in microbial fuel cells: Platinum versus iron(II) phthalocyanine based electrodes. Electrochemistry Communications 11 (2009) 2253‐2256
Falk Harnisch, Sebastian Wirth, Uwe Schröder
- Electrocatalytic and Corrosion Behaviour of Tungsten Carbide in near‐neutral pH Electrolytes. Applied Catalysis B – Environmental 87 (2009) 63‐69
Falk Harnisch, Uwe Schröder, Marion Quaas, Fritz Scholz
- Tungsten Carbide as Electrocatalyst for the Hydrogen Evolution Reaction in pH neutral Electrolyte Solutions. Applied Catalysis B – Environmental 89 (2009) 455‐458
Falk Harnisch, Gustav Sievers, Uwe Schröder
- Enhanced activity of non‐noble metal electrocatalysts for the oxygen reduction reaction using low temperature plasma treatment. Plasma Processes and Polymers 8 (2011) 914‐922
Sebastian Wirth, Falk Harnisch, Antje Quade, Manuela Brüser, Volker Brüser, Uwe Schröder, Natalie A. Savastenko
