Durchbruch bei der Vermessung von biologisch inspirierten Katalysatoren für Brennstoffzellen

23.10.2015 - Deutschland

Ein wissenschaftliches Problem ist gelöst: Forschern gelang es erstmals, die Zahl und die Aktivität der aktiven Oberflächenatome eines der Natur nachempfundenen edelmetallfreien Katalysators für Wasserstoffbrennstoffzellen genau zu beziffern.

Als zentrale Energiequelle in wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen wird die Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEM-BZ) seit einigen Jahren beforscht. In der PEM-BZ wird die chemische Energie des Wasserstoffs und des Sauerstoffs der Luft in elektrische Energie gewandelt. Das einzige Reaktionsprodukt ist Wasser. Um eine hinreichende elektrische Leistung zu gewährleisten, sind chemische Katalysatoren an der Wasserstoff- und Sauerstoffseite der PEM-BZ nötig. In solchen Katalysatoren spielt die Zahl und individuelle katalytische Aktivität der den Gasen zugänglichen Atome des Katalysators eine zentrale Rolle für die PEM-BZ-Leistung. Während für die üblicherweise verwendeten platinhaltigen Katalysatoren Zahl und Aktivität der reaktiven Atome in Katalysatoren gut zugänglich ist, war die Quantifizierung dieser beiden Grössen für eine neuere Generation von völlig platinfreien, kostengünstigeren Katalysatoren bisher unmöglich. Das hat die Entwicklung von verbesserten Katalysatoren stark behindert.

Forschern aus dem TU-Fachgebiet „Elektrochemische Katalyse und Materialien“ um Prof. Dr. Peter Strasser in Zusammenarbeit mit Forschern der TU Darmstadt haben dieses Problem gelöst. Die Wissenschaftler nutzten den Effekt, dass Kohlenmonoxidgasmoleküle sich bei tiefen Temperaturen unter minus 50 Grad Celsius mit den aktiven Atomen des Katalysators in bestimmten Verhältnissen verbinden. Die Bestimmung der Menge an gebundenen Gasmolekülen liefert daher ein Maß für die Zahl der aktiven Katalysatoratome und die individuelle Aktivität der Atome. Kombiniert mit anderen Daten konnten die Forscher sogar einen sogenannten Katalysatornutzungsgrad bestimmen. Dieser erlaubt Vorhersagen zur maximal möglichen Leistungsfähigkeit eines Katalysators und damit letztlich der PEM-BZ.

Der von Prof. Dr. Peter Strasser und Prof. Dr. Ulrike Kramm beschriebene Durchbruch zur Quantifizierung der Katalysatoreigenschaften ermöglicht eine verständnis-basierte Verbesserung der Stabilität und Aktivität von der Natur nachempfundenen platinfreien Katalysatoren für PEM-BZ. Er ist damit ein wichtiger Beitrag für die Erforschung und Entwicklung kostengünstigeren und nachhaltigeren PEM-BZ als zentrale Energiequelle in wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen.

Originalveröffentlichung

Nastaran Ranjbar Sahraie, Ulrike I. Kramm*, Julian Steinberg, Yuanjian Zhang, Arne Thomas, Tobias Reier, Jens-Peter Paraknowitsch and Peter Strasser; "Quantifying the density and utilization of active sites in non-precious metal oxygen electro-reduction catalysts"; Nat. Commun. 2015

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