- Ein Partikel des neuen Katalysators - UniCat / TU Berlin
In der Zeitschrift „Nature Chemistry“ berichten im Mai 2010 Peter Strasser, Professor für Chemie an der Technischen Universität Berlin und Mitglied im Exzellenzcluster UniCat, und seine Mitarbeiter gemeinsam mit Kollegen aus den USA darüber, wie ein neuer Katalysator für Brennstoffzellen wirkt. Mit diesem neuen Katalysator lässt sich die notwendige Menge an Platin für eine Brennstoffzelle drastisch senken. Das ist ein wichtiger Fortschritt. Denn Platin ist teuer. Die Forscher schätzen, dass sich mit diesem neuen Katalysator die Kosten für Brennstoffzellen um 80 Prozent senken lassen.
Brennstoffzellen: aussichtsreicher Kandidat für die Erzeugung von Elektroenergie
Wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen sind eine Alternative zu konventionellen Diesel- und Benzinmotoren, weil bei ihrem Betrieb außer elektrischer Energie lediglich Wasser entsteht. Allerdings nur unter der Voraussetzung, das die Herstellung des Wasserstoffs ohne Abgabe von Kohlendioxid an die Atmosphäre erfolgt. Es ist zu erwarten, dass in Zukunft Brennstoffzellen für den Antrieb von Fahrzeugen, für stationäre Anwendungen wie Strom- und Wärmeversorgung im Haushalt sowie auch für elektronische Geräte wie Laptops zum Einsatz kommen.
Das große Manko von Brennstoffzellen für Wasserstoff ist ihr Bedarf an Platin. Das wird in beachtlichen Mengen benötigt und sorgt durch seinen edlen Preis für hohe Materialkosten. Das Platin hilft dabei, den Wasserstoff und Sauerstoff aus der Luft hinreichend schnell in Elektrizität und Wasser umzuwandeln. Im Verlauf des elektrochemischen Umwandlungsprozesses spaltet Platin zunächst die Sauerstoffmoleküle, die Verbindung von zwei Sauerstoffatomen, in die beiden Atome. Die setzen sich danach sofort für Bruchteile einer Sekunde auf der Oberfläche des Platins ab. Dort werden sie anschließend mit zwei Wasserstoffatomen in Wassermoleküle umgesetzt und von der Oberfläche abgeschieden. Das Platin wirkt hier als Katalysator. Bindet der Katalysator die Sauerstoffatome zu schwach oder zu stark, dann sinkt die Gesamtumsatzrate ab. Das reduziert dann auch die elektrische Leistung der Brennstoffzelle. Und da ist auch ein wenig das Problem der Brennstoffzellen bis heute. Denn Platin bindet Sauerstoffatome etwas zu stark. Aber es wurde bisher kein aktiver Katalysator für die Sauerstoffreduktion gefunden.
Entspannung ist bei dem neuen Katalysator unerwünscht
Die Berliner Forscher produzieren Katalysatoren in Kugelform. Die haben einen Durchmesser von wenigen Nanometern. Dazu mischen sie Platinpartikel mit Kupfer und entfernten danach teilweise das Kupfer aus den Nanopartikeln. Dabei bildet sich auf der Außenhaut eine Schale aus Platin, die nur wenige Atome dick ist. Die Forscher konnten feststellen, dass durch den Mischungs- und Entmischungsprozess die Platinatome an der Oberfläche sehr viel dichter zusammenrücken als in normalem Platin. Diese strukturelle kompressive Verspannung der obersten Atomlagen führt nach den Feststellungen der Forscher zu einer Reduktion der Bindungskraft von Sauerstoffatomen auf diesen Partikeln. Im Ergebnis werden so diese neuartigen Platin-Legierungen zu besseren Katalysatoren für Brennstoffzellen als reines Platin. Denn sie erhöhen die Gesamtbildungsrate von Wasser und damit die elektrische Leistung der Brennstoffzelle deutlich.
Die Wissenschaftler konnten außerdem zeigen, dass sich mit ihrer Methode die strukturelle Verspannung und damit die Aktivität des Katalysators stufenlos verändern lassen. So lässt sich der Katalysator den konkreten Anforderungen optimal anpassen. Strasser weist auch darauf hin, dass eine ähnliche strukturelle Veränderung auch für andere Metalle möglich ist. Ihr Verfahren kann so zur Kostenreduktion in chemischen Prozessen mit Edelmetallen als Katalysatoren beitragen. So denken die Berliner Forscher, dass ähnliche Kern-Schale-Strategien auch die Kosten für Wasserelektrolysatoren, mit denen Wasser durch Strom in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird, deutlich senken können. Damit wird dieser Weg zur Zwischenspeicherung regenerativer Elektroenergie, beispielsweise aus Windkraftwerken oder Solaranlagen, deutlich wirtschaftlicher.
Der Stand der Entwicklung
Die strukturell verspannten Katalysatoren werden derzeit in den Entwicklungslabors der Autohersteller und der chemischen Industrie auf der ganzen Welt unter realen Bedingungen getestet. Strasser und seine Kollegen im Exzellenzcluster UniCat planen, das Platin gezielt mit anderen Nichtedelmetallen strukturell zu optimieren, um die Aktivität von Wasserstoff Brennstoffzellen für Wasserstoff weiter zu erhöhen.
Die Publikation
Peter Strasser, Shirlaine Koh, Toyli Anniyev, Jeff Greeley, Karren More, Chengfei Yu, Zengcai Liu, Sarp Kaya, Dennis Nordlund, Hirohito Ogasawara, Michael F. Toney and Anders Nilsson: Lattice-strain control of the activity in dealloyed core–shell fuel cell catalysts, in: Nature Chemistry, Volume 2, May 2010
Die vollständige Fassung des in Englisch verfassten Artikels ist auf der Internetseite von UniCat abrufbar.
