Wenn es darum geht, die chemischen Reaktionen einer Brennstoffzelle im Elektroauto effektiver und schneller zu machen, gilt das Edelmetall Platin als der beste Katalysator. Allerdings hat die Sache einen Haken: Während des ständigen Stop-and-Go, beispielsweise im Stadtverkehr, wird das Platin destabilisiert und fällt dann als Katalysator aus. Jetzt ist es amerikanischen Wissenschaftlern gelungen, dieses Problem zu umgehen, wie sie in der Zeitschrift „Science“ berichten.
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Eine Brennstoffzelle wandelt Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser um und produziert durch diese Reaktion Energie. Platinkatalysatoren beschleunigen dabei die Oxidations- und Reduktionsreaktionen. Wasserstoff wird oxidiert, wenn er Elektronen abgibt und positive Wasserstoffionen bildet. Die frei gewordenen Elektronen erzeugen den Stromfluss. Sauerstoff im Gegenzug wird reduziert, da er Elektronen aufnimmt und durch eine Reaktion mit den Wasserstoffionen zu Wasser wird.
„Von Brennstoffzellen wird erwartet, dass sie eine wichtige Quelle sauberer Energie werden, mit besonders wichtigen Anwendungen im Verkehr“, erklärt Radoslav Adzic, Koautor der Studie. „Trotz vieler Fortschritte hat die existierende Brennstoffzellentechnologie jedoch noch viele Probleme, darunter auch den Verlust der Platin-Katalysatoren an der Kathode, der bis zu 45 Prozent innerhalb von fünf Tagen ausmachen kann.“
Gemeinsam mit seinen Kollegen Junliang Zhang, Kotaro Sasaki, Radoslav Adzic und Eli Sutter vom vom Brookhaven National Laboratory testeten die Forscher im Labor Möglichkeiten, diesen Verlust zu verhindern. Die Forscher ersetzten dafür auf den Platin-Nanopartikeln eine einatomige Schicht von Kupfer durch eine Goldschicht und veränderten diese nachträglich durch gezielte Zugabe von elektrischem Strom so, dass dreidimensionale Gold-Cluster entstanden.
Es zeigte sich, dass diese Zugabe von Gold-Clustern die Platin-Katalysatoren soweit stabilisieren konnte, dass diese eine Simulation der Verhältnisse im Stop-and-Go-Verkehr unbeschadet überstanden. Offenbar bremste das Gold die Oxidation des Platins so weit, dass es über mehr als 30.000 Zyklen von Oxidation und Reduktion stabil blieb.
„Die Gold-Cluster schützten das Platin vor der Oxidation“, so Adzic. „Die Arbeiten unseres Teams zeigen viel versprechende Möglichkeiten auf, verbesserte Platin-Katalysatoren zu synthetisieren und die Platin und Platingruppen-Metalle unter solchen zyklischen Konditionen zu stabilisieren. Der nächste Schritt ist es nun, die Ergebnisse in fertigen Brennstoffzellen zu testen.“
(DOE/Brookhaven National Laboratory, 15.01.2007 – NPO)
