TU Berlin

TUB-newsportaltui0613: Superkatalysator in Bestform

Inhalt des Dokuments

zur Navigation

Forschung

Superkatalysator in Bestform

Freitag, 21. Juni 2013

Oktaedrischer Brennstoffzellkatalysator spart 90 Prozent des teuren Platins

Der Chemiker Peter Strasser treibt die Katalysator- und Energiespeicherforschung voran
Lupe

Forschern der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Peter Strasser an der TU Berlin zusammen mit Wissenschaftlern des Ernst Ruska-Centrums für Elektronenmikroskopie in Jülich ist ein Durchbruch in der Brennstoffzellentechnologie gelungen, bei der Platin als Katalysatormaterial eine große Rolle spielt. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie jetzt im renommierten Journal „Nature Materials“.

Chemische Energiespeicher und -wandler gelten als die Schlüsseltechnologie zur Nutzbarmachung von erneuerbarer, aber unregelmäßig anfallender Sonnen- oder Windelektrizität. Als Speichermedium mit großem wirtschaftlichem Nutzen kommt dabei dem Molekül Wasserstoff die größte Bedeutung zu. Es wird durch Elektrolyse erzeugt, der Wasserspaltung mit Strom. Sowohl die Spaltung in Wasserstoff und Sauerstoff als auch umgekehrt die Erzeugung von Elektrizität aus beiden Gasen in Brennstoffzellen sind sehr langsame chemische Reaktionen. Eine große Menge an Edelmetallkatalysatoren beschleunigt diese. Das hierfür oft eingesetzte Platin macht die elektrochemische Energiespeicherung und -wandlung sehr kostspielig. Der Einsatz von leistungsfähigen, robusten und günstigen Katalysatorenmaterialien ist daher ein Schlüssel zum Durchbruch der Brennstoffzellentechnologie. Die Forscher konnten kleinste Partikel als Metallkatalysatoren für die Wandlung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser entwickeln. Diese sind so aktiv, dass nur zehn Prozent der heute verbrauchten Menge an Edelmetall benötigt werden. Das spart 90 Prozent Platin.

Sauerstoffaktivierendes Platin-Nickel-Katalysatorteilchen. Sein Durchmesser ist zehntausendmal kleiner als der eines Haares (elektronenmikroskopische Aufnahme und Modell)
Lupe

Dass die Katalysatoren „nanoskalig“ sein müssen, also nur etwa ein Zehntausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares messen dürfen, um Edelmetall zu sparen, war bekannt. Bisher kamen aber immer runde Katalysatorpartikel zum Einsatz. Neu und faszinierend an der vorliegenden Studie ist, dass auch die geometrische Form der metallischen Partikel eine extrem große Rolle bei der Steuerung der Aktivität und der Lebensdauer der Metallkatalysatorpartikel spielt.

Dem Forscherteam gelang es, nanoskalige Legierungspartikel aus Platin und Nickel herzustellen, die annähernd die geometrische Form eines mathematisch idealen Oktaeders besitzen. Es zeigt an der Oberfläche genau die geometrische Anordnung von Platin- und Nickelatomen, die die chemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser in einer energieumwandelnden Brennstoffzelle am effizientesten beschleunigt, also katalysiert. Ein rundes oder auch würfelförmiges Partikel würde andere atomare Anordnungen zeigen und daher die chemische Reaktion weniger effizient katalysieren, also mehr Edelmetall verbrauchen. Mit Hilfe modernster Elektronenmikroskopie konnte das Forscherteam auch untersuchen, wie die Lebensdauer dieser Superkatalysatoren von ihrer Komposition abhängt, und diese für die Brennstoffzelle optimieren. Entscheidend dafür war die Beobachtung, dass die Nickel- und Platinatome sich nicht gleichverteilt an der Oberfläche der Nanooktaeder platzieren. Nickel bevorzugt die Mitte der Oktaederoberflächen, während das Platin sich vor allem an den Kanten und Ecken findet. Diese ungewöhnliche, erstmalig beobachtete Verteilung der Atome ist zwar für die Reaktivität günstig, limitiere aber die Lebensdauer der Energiematerialien, so die Forscher.

Um mit atomarer Genauigkeit die Anordnung zu erkennen, wurde am Ernst Ruska-Centrum ein besonders energiearmer Elektronenstrahl eines der weltweit höchstauflösenden Elektronenmikroskope fein gebündelt durch die Probe geschickt. Durch die Wechselwirkungen mit der Probe verliert er einen Teil seiner Energie. Jedes Element in der Probe kann damit nicht nur wie mit einem Fingerabdruck identifiziert werden, auch sein Aufenthaltsort kann bestimmt werden. Herkömmliche Elektronenmikroskope können dies nicht mit dieser atomaren Auflösung erkennen.

Insgesamt liefert diese bahnbrechende experimentelle Arbeit den direkten Beweis, dass die richtige Wahl der Geometrie des Nanometer-kleinen Katalysatorpartikels für die Optimierung seiner Funktion ebenso wichtig ist wie die Wahl von Zusammensetzung und Größe. Dies eröffnet den Forschern nun noch mehr Möglichkeiten, Funktionsmaterialien, insbesondere Katalysatoren für die Energiespeicherung, weiter zu verbessern. Aktuellste Katalysearbeiten aus der Arbeitsgruppe um TU-Forscher Strasser, die eng mit Gruppen des Exzellenzclusters UNICAT zusammenarbeitet, deuten darauf hin, dass große Kosten- und Energieeffizienzsprünge auch für die Spaltungsreaktion von Wasser in Sauerstoff in Elektrolyseuren möglich sind, wo das noch weitaus teurere Edelmetall Iridium zum Einsatz kommt.

Der Originalartikel in Kurz- und Langversion ist zu finden unter: http://dx.doi.org/10.1038/nmat3668

tui / Quelle: Hochschulzeitung "TU intern", 6/2013

Navigation

Direktzugang

Schnellnavigation zur Seite über Nummerneingabe