Mangan könnte das Katalysatorproblem der Wasserstoff-Brennstoffzellen endlich lösen
Weit verbreitetes und preiswertes Metall könnte zu einem Boom bei erneuerbaren Energien führen
Mangan ist bekannt für die Herstellung von Edelstahl und Aludosen. Nun sagen Forscher, dass das Metall eine der vielversprechendsten Quellen für erneuerbare Energien vorantreiben könnte: Wasserstoff-Brennstoffzellen.
Das Bild links zeigt die Partikelform des Mangankatalysators. Die rechten Bilder zeigen die gleichmäßige Elementverteilung des Kohlenstoffs im gesamten Partikel.
Gang Wu, University at Buffalo
In einer Studie berichtet ein von der University at Buffalo-geführtes Forschungsteam über Katalysatoren aus dem weit verbreiteten und preiswerten Metall.
Die Weiterentwicklung könnte schließlich dazu beitragen, das frustrierendste Problem der Wasserstoff-Brennstoffzelle zu lösen: Sie ist nämlich nicht preiswert, da die meisten Katalysatoren aus Platin hergestellt werden, das sowohl selten als auch teuer ist.
"Wir konnten keine groß angelegte Wasserstoffwirtschaft vorantreiben, da es sich bei diesem Thema um Katalysatoren handelt. Aber Mangan ist eines der häufigsten Elemente in der Erdkruste und weit verbreitet auf dem Planeten. Es könnte endlich dieses Problem lösen", sagt Hauptautor Gang Wu, PhD, außerordentlicher Professor für Chemie- und Bioingenieurwesen an der UB School of Engineering and Applied Sciences.
Weitere Autoren kommen vom Oak Ridge National Laboratory, Brookhaven National Laboratory, Argonne National Laboratory, Oregon State University, University of Pittsburgh, University of South Carolina, Giner Inc. und Harbin Institute of Technology.
Seit mehr als einem Jahrzehnt ist Wu auf der Suche nach alternativen Katalysatoren für Wasserstoff-Brennstoffzellen. Er hat über Fortschritte bei Katalysatoren auf Eisen- und Kobaltbasis berichtet, aber jeder einzelne verschlechtert sich mit der Zeit und schränkt seinen Nutzen ein, sagt er.
In früheren Arbeiten entdeckte Wu, dass die Zugabe von Stickstoff zu Mangan innere Veränderungen am Metall bewirkt, die es zu einem stabileren Element machen. In Experimenten, die in der Studie berichtet wurden, entwickelte er eine relativ einfache zweistufige Methode zur Zugabe von Kohlenstoff und einer Stickstoffallotrop namens Tetranitrogen (N4) zu Mangan.
Das Ergebnis war ein Katalysator, der in seiner Fähigkeit, Wasser zu spalten - die Reaktion, die zur Herstellung von Wasserstoff erforderlich ist - als Platin und andere metallhaltige Alternativen vergleichbar ist. Noch wichtiger ist, dass der Katalysator aufgrund seiner Stabilität potenziell für Wasserstoff-Brennstoffzellen geeignet ist. Dies könnte zu einer breiten Anwendung der Technologie in Bussen, Autos und anderen Verkehrsmitteln sowie zu Backup-Generatoren und anderen Energiequellen führen.
Wu plant, die Forschung fortzusetzen, wobei der Schwerpunkt auf der Verbesserung der Kohlenstoffmikrostruktur des Katalysators und der Methode, bei der Stickstoff zugesetzt wird, liegt. Ziel sei es, die Leistung des Katalysators in der praktischen Wasserstoff-Brennstoffzelle weiter zu verbessern.
Originalveröffentlichung
Jiazhan Li, Mengjie Chen, David A. Cullen, Sooyeon Hwang, Maoyu Wang, Boyang Li, Kexi Liu, Stavros Karakalos, Marcos Lucero, Hanguang Zhang, Chao Lei, Hui Xu, George E. Sterbinsky, Zhenxing Feng, Dong Su, Karren L. More, Guofeng Wang, Zhenbo Wang & Gang Wu; "Atomically dispersed manganese catalysts for oxygen reduction in proton-exchange membrane fuel cells"; Nature Catalysis; 2018
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