Brennstoffzellen

Forscher sparen 90 % Platin in Katalysatormaterial für Brennstoffzellen

18.06.13 | Redakteur: Tobias Hüser

Elektronenmikroskopische Aufnahme und atomistisches Modell (unten rechts) eines hochaktiven sauerstoffaktivierenden Platin-Nickel-Katalysatorteilchens. Sein Durchmesser ist ungefähr zehntausendmal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Rote Kugeln symbolisieren Platinatome, grüne Nickelatome.
Elektronenmikroskopische Aufnahme und atomistisches Modell (unten rechts) eines hochaktiven sauerstoffaktivierenden Platin-Nickel-Katalysatorteilchens. Sein Durchmesser ist ungefähr zehntausendmal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Rote Kugeln symbolisieren Platinatome, grüne Nickelatome. (Bild: Forschungszentrum Jülich/TU Berlin)

Ein Katalysatormaterial für die Umwandlung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser in Brennstoffzellen, das mit einem Zehntel der bisher typischen Menge Platin auskommt, entwickelten nun Wissenschaftler aus Jülich und Berlin. Die Forscher fanden heraus, dass die Funktion der nanometerkleinen Katalysatorpartikel entscheidend durch ihre geometrische Form und die atomare Struktur bestimmt wird. Diese Erkenntnis zeigt neue Wege auf, Katalysatoren für die Energieumwandlung und -speicherung weiter zu verbessern.

Jülich – Ein Hindernis für die Durchsetzung von Wasserstoffbrennstoffzellen sind die hohen Materialkosten für Platin. Noch werden große Mengen des teuren Edelmetalls für die Elektroden der Brennstoffzellen benötigt, an denen die chemischen Umwandlungsprozesse stattfinden. Ohne die Katalysatorwirkung des Platins lassen sich derzeit nicht die notwendigen Umwandlungsgeschwindigkeiten erreichen.

Da die Katalyse nur an der Oberfläche des Platins stattfindet, lässt sich Material sparen und gleichzeitig die Leistungsfähigkeit der Elektroden verbessern, indem man Platinnanopartikel verwendet und dadurch das Verhältnis von Platinoberfläche zu Materialeinsatz vergrößert. Die winzigen Teilchen sind etwa zehntausendmal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares, ein Kilogramm von ihnen kann aber die Oberfläche mehrerer Fußballfelder haben.

Noch mehr Platin spart die Mischung mit anderen, weniger wertvollen Metallen, wie Nickel oder Kupfer. Wissenschaftlern des Forschungszentrums Jülich und der Technischen Universität Berlin ist es nun gelungen, effiziente Metallkatalysatorpartikel für die Umwandlung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser zu entwickeln, die mit einem Zehntel der bisher typischen Menge Platin auskommen.

Oktaedrisch geformten Nanoteilchen

Der neue Katalysator besteht nicht aus den bisher üblichen runden Nanopartikeln, sondern aus oktaedrisch geformten Nanoteilchen einer Platin-Nickel-Legierung. Die Forscher fanden heraus, dass sich auf den Oberflächen dieser Teilchen die Platin- und Nickel-Atome ausschließlich so anordnen, dass sie die chemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser optimal beschleunigen. Ein rundes oder würfelförmiges Partikel dagegen besitzt andere atomare Anordnungen an der Oberfläche und katalysiert daher die chemische Reaktion weniger effizient, was durch einen Mehreinsatz an Edelmetall kompensiert werden müsste.

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