de de de de de de en de de en de de de de de de de de de de de de de de de de de nb de de de en de en en en tr pl en de en de de de de fr de de de en en en en fr fr de de de de de de de de de tr en de de de de en en de it de ar de de fr de de de de de de de de de de de de de de de de en de sv de de de de cs de de fr de en de en de de fr de de de en en en en fr fr de de de de de de de cs de de de de oc en de en de de de de de en de de en de de de de de de de de de de de de de de de de de nb de de de en de en en en tr pl en de en de de de de fr de de de en en en en fr fr de de de de de de de de de tr en de de de de en de it de ar de
Einem internationalen Forschungsteam unter Leitung der Universität Bern ist es gelungen, einen Elektrokatalysator für Wasserstoff-Brennstoffzellen zu entwickeln, der im Gegensatz zu den heute üblichen Katalysatoren ohne Kohlenstoffträger auskommt und dadurch deutlich stabiler ist. Das neue Verfahren ist industriell anwendbar und kann zur weiteren Optimierung von brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugen ohne CO2-Ausstoss genutzt werden.
Brennstoffzellen gewinnen als Alternative zur batteriebetriebenen Elektromobilität im Schwerverkehr an Bedeutung, insbesondere da Wasserstoff ein CO2-neutraler Energieträger ist, wenn er aus erneuerbaren Quellen gewonnen wird. Für eine effiziente Arbeitsweise benötigen Brennstoffzellen einen Elektrokatalysator, der die elektrochemische Reaktion, bei der der Strom erzeugt wird, verbessert. Die heute standardmässig dafür eingesetzten Katalysatoren aus Platin-Kobalt-Nanopartikeln besitzen gute katalytische Eigenschaften und benötigen nur so wenig wie nötig an seltenem und teurem Platin. Damit der Katalysator in der Brennstoffzelle eingesetzt werden kann, muss er über eine Oberfläche mit sehr kleinen Platin-Kobalt-Partikeln im Nanometer-Bereich verfügen, die auf ein leitfähiges Trägermaterial aus Kohlenstoff aufgetragen wird. Da die kleinen Partikel und auch der Kohlenstoff in der Brennstoffzelle Korrosion ausgesetzt sind, verliert die Zelle mit der Zeit an Effizienz und Stabilität.
Die Brennstoffzelle – direkte Stromgewinnung ohne Verbrennung
Die wichtige Rolle des Elektrokatalysators
Damit die Brennstoffzelle Strom produziert, müssen beide Elektroden mit einem Katalysator beschichtet sein. Ohne Katalysator würden die chemischen Reaktionen nur sehr langsam ablaufen. Dies gilt insbesondere für die zweite, die Sauerstoffelektrode. Doch die Platin-Kobalt-Nanopartikel des Katalysators können beim Betrieb in einem Fahrzeug «zusammenschmelzen». Dies verringert die Oberfläche des Katalysators und damit die Leistungsfähigkeit der Zelle. Zudem kann der Kohlenstoff, der üblicherweise verwendet wird, um den Katalysator zu befestigen beim Einsatz im Strassenverkehr korrodieren. Dies beeinträchtigt die Lebensdauer der Brennstoffzelle und somit des Fahrzeugs. «Unsere Motivation war es daher, einen Elektrokatalysator ohne Kohlenstoffträger herzustellen, der dennoch leistungsfähig ist», erklärt Matthias Arenz. Vorherige, ähnliche Katalysatoren ohne Trägermaterial verfügten bisher immer nur über eine reduzierte Oberfläche. Weil die Größe der Oberfläche entscheidend ist für die Aktivität des Katalysators und somit seine Leistungsfähigkeit, waren diese für den industriellen Einsatz weniger geeignet.
Technologie ist industriell einsetzbar
Die Idee konnten die Forschenden dank eines speziellen Verfahrens, der Kathodenzerstäubung («Sputtern») in die Tat umsetzen. Bei dieser Methode werden einzelne Atome eines Materials (hier Platin bzw. Kobalt) durch Beschuss mit Ionen herausgelöst (zerstäubt). Die herausgelösten gasförmigen Atome kondensieren anschließend als haftende Schicht. «Mit dem speziellen Sputterverfahren und anschließender Behandlung kann eine sehr poröse Struktur erreicht werden, die dem Katalysator eine große Oberfläche gibt und gleichzeitig selbsttragend ist. Ein Kohlenstoffträger ist somit überflüssig», so Dr. Gustav Sievers, Studien-Erstautor vom Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie.
«Diese Technologie ist industriell skalierbar und kann somit auch für größere Produktionsvolumen beispielsweise in der Fahrzeugindustrie eingesetzt werden», sagt Matthias Arenz. Mit dem Verfahren kann die Wasserstoff-Brennstoffzelle weiter für den Einsatz im Strassenverkehr optimiert werden. «Unsere Erkenntnisse sind somit von Bedeutung für die Weiterentwicklung von nachhaltiger Energienutzung, insbesondere angesichts der aktuellen Entwicklungen im Mobilitätssektor für den Schwerverkehr», sagt Arenz.
Die Studie wurde unter anderem finanziert durch den Schweizerischen Nationalfonds (SNF), das Deutsche Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und das Danish National Research Foundation Center für High-Entropy Alloy Catalysis.
Weitere Informationen sowie Kontaktangaben sehen Sie auf der folgenden Seite.
Sievers, Gustav W. et. al.: Self-supported Pt-CoO networks combining high specific activity with high surface area for oxygen reduction, in: Nature Materials, 24. August 2020.
Prof. Dr. Matthias Arenz
Departement für Chemie und Biochemie, Universität Bern
Tel.: +41 31 631 53 84
Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie e.V.
Tel.: +49(0) 3834 554 3861
Der neue Elektrokatalysator für Wasserstoff-Brennstoffzellen besteht aus einem dünnen Platin-Kobaltlegierungsnetzwerk und kommt im Gegensatz zu den heute üblichen Katalysatoren ohne Kohlenstoffträger aus.