Mikromotoren für die Energieerzeugung

Selbstangetriebene Mikropartikel steigern die Wasserstofffreisetzung aus flüssigen Speichermedien

29.04.2015 - USA

Wasserstoff wird als Energieträger der Zukunft angesehen, erste Fahrzeuge mit Wasserstoff-Brennstoffzellenantrieb sind bereits am Markt. Allerdings ist das Problem der Wasserstoff-Speicherung noch immer nicht befriedigend gelöst. Amerikanische Wissenschaftler haben jetzt katalytisch aktive Mikromotoren entwickelt, die die Freisetzung von Wasserstoff aus flüssigen Speichermedien erheblich steigern. In der Zeitschrift Angewandte Chemie stellen sie das Konzept anhand eines Modell-Fahrzeugs mit Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellenantrieb vor.

Lösungen wasserstoffhaltiger Salze wie Natriumborhydrid (NaBH4) bieten als Wasserstoffspeicher viele Vorteile, vor allem dass der daraus freigesetzte Wasserstoff sehr rein ist – wichtige Voraussetzung für einen reibungslosen Betrieb von Brennstoffzellen. Als Katalysatoren für die Freisetzung von Wasserstoff aus NaBH4 wurden bisher meist in Trägermaterialien eingebettete dünne Filme oder Nanopartikel getestet. Eine Passivierung der Oberflächen durch Ablagerung des Nebenprodukts NaBO2, Blockierung durch anhaftende Wasserstoffbläschen sowie Konzentrationsgradienten des NaBH4 limitieren jedoch die Geschwindigkeit und Effektivität der Wasserstofffreisetzung.

Das Team um Joseph Wang von der University of California, San Diego (La Jolla, USA) hat diese Hauptprobleme jetzt mit einem Schlag gelöst. Schlüssel zum Erfolg waren Katalysatoren in Form selbstangetriebener „Mikromotoren“. Es handelt sich dabei um sogenannte Janus-Mikropartikel, benannt nach dem römischen Gott Janus. Genau wie dieser haben die winzigen Teilchen zwei verschiedene „Gesichter“: Eine Hälfte besteht aus Platinschwarz, einem sehr feinen katalytisch aktiven Platinpulver, die andere Hälfte ist mit Titan beschichtet und dadurch inaktiv – Voraussetzung für eine gerichtete Bewegung der Teilchen. Werden die Mikromotoren in eine NaBH4-Lösung gegeben, wird nur an der Platin-Hälfte Wasserstoff freigesetzt. Das Speichermedium dient so gleichzeitig als „Treibstoff“ für die Mikromotoren, die von den entstehenden Gasbläschen angetrieben werden. Auf diese Weise wird die Flüssigkeit sehr effektiv durchgemischt, lokale Konzentrationsgefälle werden vermieden. Außerdem können sich weder Gasbläschen noch festes Nebenprodukt an die katalytischen Oberflächen anheften. So wird eine wesentlich raschere Freisetzung von Wasserstoff erreicht als bei konventionellen statischen Katalysatoren.

Zu Demonstrationszwecken statteten die Wissenschaftler ein kleines Modellfahrzeug mit einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle aus. Der Wasserstoff wurde an Bord wie oben beschrieben aus einer NaBH4-Lösung freigesetzt. Der benötigte Sauerstoff wurde ebenfalls an Bord nach dem gleichen Prinzip erzeugt: durch katalytische Spaltung von gelöstem Wasserstoffperoxid (H2O2) mit der gleichen Art von Platin/Titan-Mikromotoren.

Der Vorteil eines solchen Systems: Es können flüssige Treibstoffe getankt werden, eine Speicherung von Gasen ist nicht notwendig. Die benötigten Gase werden bei Bedarf sehr rasch freigesetzt und direkt an die Elektroden der Brennstoffzelle geleitet.