Ein Knack- und Angelpunkt bei Brennstoffzellen sind immer noch die Katalysatoren. Sie bestimmen maßgeblich die Leistungsfähigkeit der Stacks und auch deren Preis. Momentan werden unterschiedlichste Nanopartikel in verschiedenster Verbindungsform untersucht. Das gilt ebenso für den Bereich der Wasserteilung, wo Katalysatoren in Elektrolyseuren eingesetzt werden. Welche Materialien in beiden Fällen letztlich Platin abzulösen vermögen, ist derzeit noch offen, weshalb parallel auch an der Reduzierung der benötigten Katalysatormenge gearbeitet wird.
Als potentieller Platinersatz bei der Sauerstoffreduktion wird unter anderem ein Nanopartikel-Gemisch gehandelt, das günstiger, aber ebenso effizient sein soll wie das Original. Bei dieser Verbindung handelt es sich um eine Palladium-Wolfram-Mischung im Verhältnis von eins zu acht, in die etwa ein Nanometer große Palladiuminseln eingebettet sind. Thomas Wågberg von der schwedischen Umeå University erklärte, das Gemisch sei aufgrund seiner einzigartigen Morphologie ähnlich effizient wie ein Platinkatalysator, „kostet aber etwa 40 Mal weniger“, da die Palladiuminseln als hocheffiziente Katalysator-Hotspots fungieren. Wågberg griff bei der Herstellung mit seinem schwedisch-chinesischen Forscher-Team auf eine einfache Synthesemethode zurück, die auch in einem gewöhnlichen Mikrowellenherd angewandt werden könnte. Er erläuterte: „Wenn wir nicht unser Argon als protektives inertes Gas verwendet hätten, hätten wir diesen tollen Katalysator auch in der eigenen Küche herstellen können.“
US-amerikanische Forscher haben derweil ein neues nicht-metallisches Katalysatorsystem entwickelt, das eine ähnlich hohe Effizienz bei der O2-Reduktion aufweist wie Platin. Das Chemiker-Team der Universität Wisconsin-Madison berichtete in der Fachzeitschrift ACS Central Science, man habe eine Mischung aus Nitroxyl und Stickstoffoxid verwendet. Prof. Shannon Stahl erklärte: „Obwohl diese Katalysatorverbindung bisher verschiedentlich zur aeroben Oxidation eingesetzt wurde, wussten wir nicht, ob sie ein guter Brennstoffzellenkatalysator sein würde. Wie sich herausstellte, ist dies das effizienteste molekulare Katalysatorsystem, über das jemals berichtet wurde.“ [1]
Am Peter Grünberg Institut des Forschungszentrums Jülich versucht man demgegenüber, gewisse Platinteilmengen durch günstigere Metalle zu substituieren. Gemeinsam mit Kollegen der TU Berlin entwickelten die PGI-Wissenschaftler bereits 2013 Partikel, die nicht aus purem Platin bestehen, sondern im Inneren Nickel oder Kobalt enthalten. Diese Nanokristalle in Form von Oktaedern sollen lediglich ein Zehntel der ansonsten üblichen Platinmenge benötigen. Hergestellt werden derartige Oktaeder, indem zunächst ein kreuzförmiges Grundgerüst mit sechs Spitzen allein aus Platin aufgebaut wird. Daran lagern sich dann Nickel- oder Kobalt-Atome an, bis die Vertiefungen ausgefüllt sind und das Kristallwachstum automatisch stoppt.
RUB baut auf Kohlenstoff
Bereits im Sommer 2014 fanden Chemiker der Ruhr-Universität Bochum (RUB) ein bifunktionales Katalysatormaterial, das gleichzeitig zwei gegensätzliche Reaktionen fördern kann: die kalte Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff in einer Brennstoffzelle und auch die Teilung von Wasser per Elektrolyse. Es handelt sich hierbei um ein Material auf Kohlenstoffbasis, in das Manganoxid- oder Cobaltoxid-Nanopartikel eingeschlossen sind. Das Team um Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann und Prof. Dr. Martin Muhler „schnitt“ die Nanoröhren aus Kohlenstoff mithilfe von Wärme und Sauerstoff auf und machte somit die darin eingeschlossenen Katalysatorpartikel nutzbar.
An Katalysatoren für Elektrolyseure wird auch am A*STAR-Institut in Singapur geforscht. Die Mannschaft von Andy Hor fand beim Experimentieren mit wasserresistenten Lanthan-Strontium-Titan-Oxid-Verbindungen heraus, dass Nanopartikel aus Gold die Aktivität von Katalysatoren steigern können. Die Wissenschaftler gaben goldene Nanopartikel, die mit Elektronen angereichert waren, zu dieser Verbindung hinzu. Dies bewirkte eine bessere Lichtkonzentration, wodurch sich wiederum die katalytischen Reaktionen beschleunigten. Hinzu kam, dass die poröse Struktur des Katalysators die Oberfläche vergrößerte (ein Gramm besitzt eine Oberfläche von 100 m2). Hor erläuterte: „Die große Oberfläche spielt eine bedeutende Rolle bei der Erhöhung der Photokatalyse-Aktivitäten.“
In Deutschland setzt man demgegenüber auf weitaus günstigere Materialien, und zwar auf eine Eisen-Nickel-Oxid-Verbindung…
weiterlesen im HZwei-Heft