Forschung -

Wasserstoff-Brennstoffzellen mit alltäglichen Materialien statt Platin

Jeder, der schon mal Schmuck gekauft hat, kann es bestätigen: Platin ist teuer. Das ist hart für die Verbraucher, aber auch eine große Hürde für eine vielversprechende Stromquelle für Fahrzeuge: die Wasserstoff-Brennstoffzelle, die auf Platin basiert.

Jetzt konnte ein Forschungsteam um Bruce Koel, Professor für Chemie- und Bioingenieurwesen an der Princeton University einen Weg zu weitaus kostengünstigeren Alternativen finden.

In einem Forschungsbericht, der in "Nature Communications" veröffentlicht wurde, beschreiben die Forscher, dass eine chemische Verbindung auf der Basis von Hafnium etwa zu 60 Prozent so effektiv arbeitete wie platinähnliche Materialien, bei rund einem Fünftel der Kosten.

"Wir hoffen, etwas zu finden, das reichlich vorhanden und billiger ist und Reaktionen katalysieren kann", sagte Xiaofang Yang, leitender Wissenschaftler bei HiT Nano Inc. und Gastdozent in Princeton, der mit Koel an dem Projekt arbeitet.

Brennstoffzellen wandeln die in Wasserstoffatomen gespeicherte Energie direkt in Strom um. Die NASA nutzt Brennstoffzellen seit langem für den Antrieb von Satelliten und anderen Raumfahrtmissionen.

Heute werden die Zellen bereits für Elektroautos und Busse eingesetzt, denn Wasserstoff ist das einfachste und am häufigsten vorkommende Element nicht nur auf diesem Planeten, sondern auch im bekannten Universum.

Einfach gesagt erzeugen Brennstoffzellen Strom, indem sie Wasserstoff in seine beiden Komponenten Proton und ein Elektron aufspalten.

Die Protonen fließen durch eine Membran und verbinden sich mit Sauerstoff zu Wasser. Die negativ geladenen Elektronen wandern zu einem positiv geladenen Pol in der Brennstoffzelle.

Dieser Elektronenfluss ist der Strom, den die Brennstoffzelle erzeugt, der Motoren oder andere elektrische Geräte antreiben kann. Diese Spaltung erfordert ein Material wie Platin, um die Reaktion zu katalysieren.

Katalysatoren werden auch in Reaktionen eingesetzt, die das Wasserstoffgas erzeugen, das als Brennstoff für die Brennstoffzelle dient. Im besten Fall, unabhängig von fossilen Brennstoffen, kann erneuerbare elektrische Energie Wassermoleküle (zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoff) in Gegenwart eines Katalysators spalten.

Die Reaktion spaltet das Wasser in Sauerstoff- und Wasserstoffgase auf. Je effizienter der Katalysator, desto weniger Energie wird zur Teilung des Wassers benötigt.

Einige fortschrittliche Brennstoffzellen, sogenannte regenerative Brennstoffzellen, kombinieren beide Reaktionen. Die meisten aktuellen Brennstoffzellen basieren jedoch auf Wasserstoff, der durch separate Systeme erzeugt und als Kraftstoff verkauft wird.

Im Moment sind die besten Katalysatoren für beide Reaktionen Platingruppenmetalle. Das wird sich nach Ansicht der Forscher nicht ändern, denn "Platin ist fast perfekt", so Koel.

Bei Platingruppenmetallen sind die elektrochemischen Reaktionen zur Gewinnung des Wasserstoffs schnell und effizient, und die Metalle können den derzeit für solche Reaktionen erforderlichen harten säurehaltigen Bedingungen standhalten.

Das Problem ist jedoch, dass das Platin selten und teuer ist. "Man kann sich nicht wirklich vorstellen, die Verkehrsinfrastruktur durch platinbasierte Brennstoffzellen zu ersetzen", sagte Koel. "Es ist zu selten und zu teuer, um es in dieser Größenordnung zu verwenden."

Für solche Anwendungen ist die Perfektion von Platin möglicherweise nicht erforderlich. Ein guter Ersatz, so die Forscher, ist Hafniumoxyhydroxid, das mit einem Stickstoffplasma behandelt wurde, um Stickstoffatome in das Material zu integrieren.

Bisher wurden viele Materialien für elektrochemische Anwendungen übersehen, weil sie nicht leitfähig sind. Die Forscher fanden jedoch heraus, dass die Verarbeitung von Hafniumoxid mit dem Stickstoffplasma einen dünnen Materialfilm bildet, der als hochaktiver Katalysator fungiert und zudem unter starken säurehaltigen Bedingungen überlebt.

Während diese auf Hafnium basierende Folie nur etwa zwei Drittel so effektiv ist wie Platin, ist Hafnium viel kostengünstiger als Platin. Als Nächstes wollen die Forscher auch das noch billigere Zirkonium testen.

Obwohl sie in Brennstoffzellen nützlich sein könnten, glauben Yang und Koel, dass die größten Aussichten für diese Materialart Systeme betreffen, die einen Katalysator zur elektrochemischen Spaltung von Wasser verwenden, um Wasserstoff für die Verwendung als Kraftstoff zu erzeugen.

"Die zukünftige erneuerbare Wirtschaft hängt stark davon ab, wie wir Wasser effizient splitten können, um Wasserstoff zu erzeugen", sagte Yang. "Dieser Schritt ist ziemlich wichtig."

Aber Yang und Koel betonen, dass ihre Entdeckung noch nicht zu einem Ansturm neuer erschwinglicher Technologien führen wird - nicht einmal in naher Zukunft.

Im Moment ist die Herstellung des Materials komplex und auf das Labor beschränkt. Obwohl sie die Leistung des Films bestätigt haben, muss man immer die Technik berücksichtigen, die erforderlich ist, um den Film praktisch im großen Stil herzustellen.

Stattdessen öffnet diese Entdeckung die Tür für weitere Untersuchungen von Materialien, die Platin ersetzen können.

"Wir verstehen immer noch nicht, warum dieses spezielle Material so besonders ist, aber wir sind zuversichtlich, was die gemessenen Eigenschaften betrifft", sagte Koel. "Das Material ist kompliziert, also haben wir viel zu tun."

Das Projekt wurde unter anderem von der National Science Foundation, der Simons Foundation, der John Templeton Foundation und dem Princeton Center for Complex Materials unterstützt.

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