Entspannung unerwünscht: Verspanntes Platin reduziert Kosten von Wasserstoff-Brennstoffzellen um 80 Prozent
Forscher entschlüsseln den Wirkmechanismus von hochaktiven Edelmetallkatalysatoren
In der neuen Ausgabe der Zeitschrift „Nature Chemistry“ berichten Peter Strasser und seine Mitarbeiter gemeinsam mit Kollegen aus den USA über die Entschlüsselung des Wirkmechanismus eines neuen Katalysators, der die Platinmenge und damit die Kosten von Brennstoffzellen um über 80 Prozent senken kann. Peter Strasser ist Professor für Chemie an der Technischen Universität Berlin und Mitglied im Exzellenzcluster UniCat.
Die Forscher 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.
Die Wissenschaftler konnten weiterhin beweisen, dass sich mit Hilfe ihrer Methode die strukturelle Verspannung und damit die Aktivität des Katalysators 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 strukturell verspannten Katalysatoren werden im Moment in Brennstoffzellen-Entwicklungslabors der Automobil- und chemischen Industrie weltweit unter realen Bedingungen getestet. Strasser und seine Kollegen planen nun basierend auf ihrem neuen atomaren Verständnis, Platin gezielt mit anderen Nichtedelmetallen strukturell zu optimieren, um die Aktivität von Wasserstoffbrennstoffzellen weiter zu erhöhen.
Wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen sind 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.
Die größte aktuelle Herausforderung bei der Entwicklung von Wasserstoffbrennstoffzellen besteht in den hohen Materialkosten für das teure Edelmetall Platin, das zurzeit noch in erheblichen Mengen notwendig ist, um Wasserstoff und Luftsauerstoff ausreichend schnell in Elektrizität und Wasser umzuwandeln. Während des elektrochemischen Umwandlungsprozesses spaltet Platin zunächst Sauerstoffmoleküle, also die Verbindung aus zwei Sauerstoffatomen, in getrennte Einzelatome, die sich sofort auf der Oberfläche des Platins für Bruchteile einer Sekunde absetzen. Dort werden sie anschließend in Wassermoleküle umgesetzt und verlassen die Oberfläche wieder. Diese Wirkung des Platins wird Katalyse, Platin selbst der Katalysator genannt. Bindet der 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.
UniCat steht für „Unifying Concepts in Catalysis“ und ist der einzige Exzellenzcluster, der das volkswirtschaftlich wichtige Gebiet der Katalyse erforscht. In diesem interdisziplinären Forschungsverbund arbeiten 250 Chemiker, Physiker, Biologen sowie Verfahrenstechniker aus vier Universitäten und zwei Max-Planck-Instituten aus Berlin und Brandenburg zusammen. UniCat wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft mit Mitteln aus der Exzellenzinitiative mit bis zu 7 Millionen Euro jährlich gefördert.
Originalveröffentlichung: Peter Strasser et al.; "Lattice-strain control of the activity in dealloyed core-shell fuel cell catalysts"; Nature Chemistry, published online: 25 April 2010
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