Mehr Strom aus Brennstoffzellen

Statt aus Batterien könnten auch Brenn­stoffzellen den Strom für Elektroautos liefern. Sie verbrennen Wasserstoff – ein Gas, das beispiels­weise aus überschüssigem Strom von Windkraft­werken erzeugt werden könnte. Allerdings ist das in Brennstoff­zellen für die Sauerstoff-Reduktions-Reaktion verwendete Platin selten und extrem teuer. Ein Forschungsteam der TU München um Roland Fischer, Aliaksandr Bandarenka und Alessio Gagliardi hat nun die Größe der Platin-Partikel so optimiert, dass sie doppelt so leistungs­fähig sind wie die besten derzeit kommerziell verfügbaren Verfahren.

Um die ideale Lösung zu finden, modellierte das Team das Gesamtsystem am Computer. Die zentrale Frage: Wie klein kann ein Häuflein Platin-Atome werden, um noch katalytisch hochaktiv sein zu können. „Es zeigte sich, dass es bestimmte optimale Platin-Haufen­größen geben könnte“, erklärt Fischer. Ideal sind danach etwa einen Nanometer große Partikel, die rund vierzig Platinatome enthalten. „Platin­katalysatoren dieser Größe haben ein kleines Volumen, aber eine große Zahl an stark aktiven Stellen, was zu einer hohen Massen­aktivität führt“, sagt Bandarenka.

Einen wichtigen Anteil am Erfolg der Forscher hat die inter­disziplinäre Zusammenarbeit am Zentrum für Katalyse­forschung (CRC). Theo­retische Fähig­keiten bei der Modellierung, gemeinsame Diskussionen sowie physi­kalisches und chemisches Wissen aus Experimenten führen letztlich zu einem Modell, wie sich Kata­lysatoren idealerweise in Form, Größe und Größen­verteilung der beteiligten Komponenten designen lassen. Zudem gibt es am CRC auch das Wissen, um die berechneten Platin-Nano­katalysatoren auch herzustellen und experimentell zu testen. „Dahinter steckt viel anorganische Synthese­kunst“, sagt Kathrin Kratzl.

Das Experiment bestätigte die theo­retischen Vorhersagen exakt. „Unser Katalysator ist doppelt so gut wie der beste handels­übliche Katalysator“, sagt Garlyyev. Noch reiche das nicht für kommerzielle Anwendungen aus, hier sei eine Reduzierung der Platinmenge von jetzt fünfzig auf bis zu achtzig Prozent notwendig. Neben sphärischen Nano­partikeln erhoffen sich die Forscher von weitaus komplexeren Formen eine höhere katalytische Aktivität. Genau für solche Model­lierungen sind die jetzt etablierten Rechenmodelle ideal. „Allerdings erfordern komplexere Formen noch komplexere Synthese­methoden“, sagt Bandarenka. Gemeinsame rechnerische und experi­mentelle Studien werden dabei in Zukunft immer wichtiger.

TUM / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  B. Garlyyev et al.: Optimierung der Größe von Platin‐Nanopartikeln für eine erhöhte Massenaktivität der elektrochemischen Sauerstoffreduktion, Ang. Ch. 131, 9697 (2019); DOI: 10.1002/ange.201904492
• Zentrum für Katalyseforschung CRC, Technische Universität München, Garching