Ein neuer Katalysator kann die Kosten von Wasserstoff-Brennstoffzellen zukünftig um mehr als 80 Prozent senken. Herzstück der Entwicklung eines deutsch-amerikanischen Forscherteams ist ein Wirkmechanismus, der die benötigte Menge Platins reduziert, die vorhandenen Atome aber besonders eng packt. Wie die Forscher in „Nature Chemistry“ berichten, macht dies den Katalysator sogar stufenlos regelbar.
Wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen gelten als die grüne Alternative zu konventionellen Diesel- und Benzinmotoren, weil bei ihrem Betrieb außer elektrischer Energie lediglich Wasser entsteht. In Zukunft soll die Brennstoffzellentechnologie für den Antrieb von Fahrzeugen, für stationäre Anwendungen wie Strom- und Wärmeversorgung im Haushalt sowie auch für portable elektronische Geräte wie Laptops zum Einsatz kommen. Noch allerdings bremsen einige Hürden die Entwicklung von Wasserstoffbrennstoffzellen eine davon sind die hohen Materialkosten für das teure Edelmetall Platin, das zurzeit noch in erheblichen Mengen notwendig ist, um als Katalysator Wasserstoff und Luftsauerstoff ausreichend schnell in Elektrizität und Wasser umzuwandeln.
Während des elektrochemischen Umwandlungsprozesses spaltet Platin zunächst Sauerstoffmoleküle in zwei Sauerstoffatome, die sich für Bruchteile einer Sekunde auf der Oberfläche des Platins absetzen. Dort reagieren sie zu Wassermolekülen (H2O) und diese verlassen die Oberfläche wieder. Bindet der Platin-Katalysator die Sauerstoffatome zu schwach oder zu stark, sinkt die Gesamtumsatzrate und damit auch die erzeugte elektrische Leistung der Brennstoffzelle. Platin bindet Sauerstoffatome etwas zu stark, galt bisher aber immer noch als der aktivste Katalysator für die Sauerstoffreduktion.
Dichte Platinschale statt massivem Edelmetall
Wissenschaftler um Peter Strasser, Professor für Chemie an der Technischen Universität Berlin und Mitglied im Exzellenzcluster UniCat, entwickelten nun einen Weg, um den Platingehalt in Brennstoffzellen zu reduzieren. Sie erzeugten kugelförmige Katalysatoren mit einem Durchmesser von wenigen Nanometern, indem sie Platinpartikel mit Kupfer mischten und anschließend das Kupfer teilweise wieder aus den Legierungspartikeln entfernten. Dabei bildete sich eine äußere Platin-Schale
mit einer Dicke von nur wenigen Atomen. Die Forscher konnten auf atomarer Ebene nachweisen, dass durch den Mischungs- und Entmischungsprozess die Platin-Atome an der Oberfläche einen sehr viel kleineren Abstand haben als herkömmliches Platin.
Diese unnatürliche strukturelle kompressive Verspannung der obersten Atomlagen, so konnten die Forscher zeigen, führt zu einer reduzierten Bindungsstärke von Sauerstoffatomen auf diesen Partikeln. Dadurch werden diese neuartigen Platin-Legierungen zu besseren Katalysatoren für Brennstoffzellen
als reines Platin; denn die Gesamtbildungsrate von Wasser und damit die elektrische Leistung der Brennstoffzelle werden stark erhöht.
Katalysatorstärke stufenlos veränderbar
Die Wissenschaftler konnten zudem belegen, dass sich mit Hilfe ihrer Methode die strukturelle Verspannung und damit die Aktivität des Katalysators sogar stufenlos verändern lässt. Das macht eine Optimierung des Katalysators möglich. Strasser betont, dass eine ähnliche strukturelle Veränderung auch für andere Metalle möglich und sie damit für die Kostenreduktion von chemischen Prozessen mit Edelmetallen generell von Bedeutung sei. So erwarten Strasser und sein Team, dass ähnliche Kern- Schale-Strategien auch die Kosten von Wasserelektrolysatoren senken werden. Diese Geräte stellen aus Wasser und elektrischem Strom Wasserstoff her. Zukünftig wird man damit den überschüssigen Strom aus erneuerbaren Energiequellen, wie Windkraftwerken oder Solaranlagen, chemisch speichern.
Die neuen Katalysatoren werden im Moment in Brennstoffzellen-Entwicklungslabors der Automobil- und chemischen Industrie weltweit unter realen Bedingungen getestet. Strasser und seine Kollegen planen nun, Platin gezielt mit anderen Nichtedelmetallen strukturell zu optimieren, um die Aktivität von Wasserstoffbrennstoffzellen weiter zu erhöhen.
(Technische Universität Berlin, 28.04.2010 – NPO)
