In einer elektrochemischen Brennstoffzelle wird die bei einer Oxidationsreaktion freiwerdende Energie direkt in elektrischen Strom umgewandelt. Dies geschieht, indem der Elektronentransfer nicht unmittelbar zwischen den Reaktionspartnern passiert, sondern über zwei Elektroden und einen äußeren Stromkreis mit den jeweiligen Verbrauchern geleitet wird. Anodische Oxidation des einen und kathodische Reduktion des anderen Partners geschehen in getrennten Halbzellen, welche über einen Ionenleiter miteinander verbunden sind. Ein üblicher Brennstoff in technischen Anwendungen ist Methanol, der im Gegensatz zu Wasserstoff bei Raumtemperatur flüssig ist und daher in der praktischen Handhabung viele Vorteile bietet. An jedem Methanolmolekül sitzen vier Wasserstoffatome, die verhältnismäßig leicht abgespalten und dann unter Energiegewinn oxidiert werden können. Die Abspaltung geschieht entweder in einem der Brennstoffzelle vorgelagerten sogenannten Reformer, oder aber elektrochemisch direkt an der Anode. Im letzteren Fall liegt eine \"Direkte Methanol-Brennstoffzelle\" vor, um die es in der vorliegenden Arbeit in erster Linie geht. Bei der direkten anodischen Methanoloxidation entstehen langsam weiterreagierende Zwischenprodukte (auch Oberflächengifte genannt), zum Beispiel Kohlenmonoxid. Diese können sich schnell an der Oberfläche anreichern und sie so weit bedecken, dass keine weitere Adsorption von Methanol mehr möglich ist und somit die Gesamtreaktion zum Erliegen kommt. Eine hinreichend schneller Abbau dieser Zwischenprodukte ist durch die Verwendung von Platin-Ruthenium-Elektroden zu erreichen, an denen durch das Ruthenium schon bei niedrigen Potentialen durch Wasseraufspaltung die für die Abreaktion notwendigen sauerstoffhaltigen Adsorbate bereitgestellt werden. In dieser Arbeit wurde anhand von wohldefinierten Modellelektroden systematisch untersucht, welche Zusammensetzung und welche Struktur Platin-Ruthenium-Elektroden zur elektrochemischen Methanoloxidation idealerweise haben sollten. Es wurde eine Apparatur aufgebaut, in welcher die Rastertunnelmikroskopie im Ultrahochvakuum mit elektrochemischen Charakterisierungen in einer angekoppelten Glaszelle kombiniert werden kann. Dabei stellten sich einige strukturelle Oberflächen-merkmale, vor allem das Vorhandensein von niedrig koordinierten Rutheniumatomen (beispielsweise an Kanten- und Defektplätzen), als entscheidend für die elektrokatalytische Aktivität der jeweiligen Oberflächen heraus. Die genaue Zusammensetzung erwies sich hingegen in einem Bereich zwischen 15 und 30% Ruthenium, in welchem sich die vergleichsweise größten Stromausbeuten erzielen ließen, als eher unkritisch. Ferner wurden erstmals die Stromdichte-Zeit-Kurven bei konstantem Potential, die seit Beginn der 90er Jahre zur Charakterisierung von Modellelektroden für die Methanoloxidation aufgezeichnet werden, auf ihre genaue mathematische Form hin untersucht. Dabei stellte sich überraschenderweise heraus, dass sich entgegen früherer Annahmen kein stationärer Wert der Stromdichte einstellt, sondern sie einer einfachen reziprok-linearen Funktion folgen, die zeitlich gegen Null strebt. Der gefundene Zusammenhang kann auf einen die Elektrode deaktivierenden Prozess mit einer Kinetik zweiter Ordnung zurückgeführt werden, dessen genaue Natur noch Gegenstand weiterer Untersuchungen sein wird. Es konnte ferner nachgewiesen werden, dass technische Elektroden dieses Verhalten nicht oder nur sehr schwach zeigen, was auf deren feinkörnige bis poröse Struktur zurückzuführen ist. Dies zeigte sich bei der Untersuchung solcher Modelloberflächen, die von ihrer Beschaffenheit her zwischen den glatten und den rauen technischen Elektroden angesiedelt sind. Die gefundenen Zusammenhänge zwischen atomarer Struktur und Aktivität können helfen, den Herstellungsprozess technischer Brennstoffzellenelektroden zu optimieren.    «

In einer elektrochemischen Brennstoffzelle wird die bei einer Oxidationsreaktion freiwerdende Energie direkt in elektrischen Strom umgewandelt. Dies geschieht, indem der Elektronentransfer nicht unmittelbar zwischen den Reaktionspartnern passiert, sondern über zwei Elektroden und einen äußeren Stromkreis mit den jeweiligen Verbrauchern geleitet wird. Anodische Oxidation des einen und kathodische Reduktion des anderen Partners geschehen in getrennten Halbzellen, welche über einen Ionenleiter mite...    »