Von der Natur inspirierte Elektrodenkatalysatoren und Geräte zur Energieumwandlung

Die Hauptprobleme auf dem Weg zur weiteren Kommerzialisierung elektrochemischer Geräte sind die Entwicklung von hocheffizienten, kostengünstigen und robusten Elektrodenkatalysatoren sowie die geeignete Integration dieser Katalysatoren in Geräte, die die katalytische Leistung auf Nanoskala optimal in praktisch relevante Längen- und Zeitmaße umsetzen. In den letzten Jahrzehnten haben Fortschritte in der Fertigungstechnik, rechnergestützten Werkzeugen und Synthesetechniken zu einer Vielzahl hochentwickelter Elektrodenkatalysatoren geführt, die hauptsächlich auf teuren Platinmetallen basieren. Um deren Design weiter zu verbessern und die Gesamtkosten zu senken, kann auf mehreren Ebenen von der Natur inspiriert werden, wobei die effizienten, hierarchischen Strukturen der Natur berücksichtigt werden, die intrinsisch skalieren, sowie biologische Katalysatoren, die die gleichen Reaktionen wie in elektrochemischen Geräten katalysieren. In diesem Übersichtsartikel stellen wir das Konzept des von der Natur inspirierten chemischen Engineerings (NICE) vor und unterscheiden es von dem engen Begriff, in dem Biomimikry oft angewendet wird, nämlich das Kopieren isolierter Merkmale biologischer Organismen unabhängig vom unterschiedlichen Kontext. Im Gegensatz dazu bietet NICE eine systematische Entwurfsmethodik zur Lösung von Ingenieurproblemen, die auf dem grundlegenden Verständnis der Mechanismen basiert, die den gewünschten Eigenschaften zugrunde liegen, und passt sie auch an den Kontext ingenieurtechnischer Anwendungen an. Der Umfang des NICE-Ansatzes wird durch diesen vergleichenden Stand der Technik veranschaulicht, der Beispiele für bio-inspirierte Elektrodenkatalysatoren für zentrale Energieumwandlungsreaktionen und von der Natur inspirierte elektrochemische Geräte liefert.