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Wie Wassermoleküle Elektroden vor Korrosion schützen können
Verborgener Einfluss: Nicht nur das Material einer Elektrode, sondern auch die Anordnung des umgebenden Wassers entscheidet mit über ihren Verschleiß. In Laborversuchen korrodierte Kohlenstoff deutlich langsamer, wenn benachbarte Wassermoleküle stärker über Wasserstoffbrücken verknüpft waren. Eine geeignete Polymerbeschichtung verringerte die gemessene Kohlendioxidbildung gegenüber einer Vergleichsbeschichtung um 51 Prozent.
Osaka (Japan). Kohlenstoff ist günstig, leitet Strom und steckt deshalb in vielen elektrochemischen Anlagen. Er dient etwa in Brennstoffzellen oder bei der Wasserelektrolyse als leitfähiger Träger von Katalysatoren. Doch sobald an Elektroden stark oxidierende Bedingungen herrschen, kann das Material mit Wasser zu Kohlendioxid reagieren. Der schleichende Abbau beschädigt leitfähige Strukturen und kann die Leistung der Anlagen verringern.
Bislang haben Entwickler vor allem versucht, den Kohlenstoff selbst widerstandsfähiger zu machen, beispielsweise durch Veränderungen seiner Kristallstruktur oder Oberfläche. Eine andere Möglichkeit blieb weniger beachtet: Die dünne Wasserschicht unmittelbar an der Elektrode könnte entscheidend beeinflussen, wie schnell die Korrosion abläuft. In Brennstoffzellen ist die Korrosion von Kohlenstoffträgern ebenfalls ein bekanntes Problem.
Forscher der University of Osaka (UOsaka) um Dr. Yu Katayama haben nun gemeinsam mit internationalen Kollegen untersucht, wie diese Grenzschicht den Kohlenstoffabbau beeinflusst. Dazu beobachteten sie an Rußelektroden gleichzeitig den Zustand der Wassermoleküle mit Infrarotspektroskopie und das während der Reaktion freigesetzte Kohlendioxid mit einem Massenspektrometer.
Normalerweise verbinden Wasserstoffbrücken benachbarte Wassermoleküle zu einem veränderlichen Netzwerk. Die Messungen zeigten: Wo dieses Netzwerk stärker gestört war, wurde mehr Kohlendioxid freigesetzt. Hinweise aus den Infrarotspektren deuten darauf hin, dass vor allem schwach gebundene Wassermoleküle an der unerwünschten Oxidation beteiligt sind.
Um diesen Zusammenhang zu prüfen, störte das Team die Bindungen gezielt durch die Zugabe eines Salzes zum Elektrolyten, der leitfähigen Flüssigkeit. Je stärker sich die Wasserstruktur veränderte, desto höher fiel das Kohlendioxidsignal aus. Kontrollmessungen zeigten zugleich, dass eine Änderung des Säuregrades direkt an der Elektrode den Anstieg nicht ausreichend erklärt.
„Bei elektrochemischen Reaktionen gelten oft die Elektroden als Hauptakteure, doch auch das Wasser unmittelbar um sie herum ist wichtig“, erklärt Dr. Yu Katayama.
Aus diesem Befund leiteten die Forscher einen praktischen Ansatz ab. Statt die Zusammensetzung der gesamten Elektrolytlösung zu ändern, bedeckten sie den Kohlenstoff mit ionenleitenden Polymeren, sogenannten Ionomeren. Solche Beschichtungen können die Wassermoleküle unmittelbar an der Oberfläche anders anordnen, ohne den Kohlenstoff selbst chemisch umzubauen.
Im Vergleich zweier Beschichtungen schnitt Sustainion besonders gut ab: Es förderte ein stärker über Wasserstoffbrücken verbundenes Wassernetzwerk als Nafion. Unter den untersuchten Laborbedingungen sank die anhand der CO₂-Freisetzung gemessene Korrosion von Rußelektroden um 51 Prozent gegenüber der Nafion-Variante. Der Wert beschreibt den Abbau dieses Testmaterials, nicht eine entsprechend verlängerte Lebensdauer fertiger Geräte.
Doch weniger Korrosion bedeutet noch nicht automatisch eine bessere Elektrode. In einem zweiten Versuch setzten die Forscher Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit einzelnen Platinatomen als Katalysator für die Chlorerzeugung ein. Sustainion schützte den Kohlenstoffträger zwar besser, verringerte aber zugleich die anfängliche katalytische Aktivität deutlich.