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Struktur von Polyoxometallat, kurz POM: Das Material übernimmt die Funktion des Platins als Katalysator für Brennstoffzellen. Es übertrifft seinen Entwicklern zufolge die Effizienz eines Platinkatalysators. Bild: Jacobs Universität
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Alternativen zu Platin als Katalysator

Zwei Forschungsgruppen haben für Brennstoffzellen-Katalysatoren preiswerte Materialien entwickelt, deren katalytische Wirkung an die von Platin herankommt und sogar übertrifft.

Bislang ist die Stromerzeugung mit Brennstoffzellen teuer, da sie Edelmetalle wie Platin als Katalysator brauchen. Platinbasierte Katalysatoren (Pt/C) sollen zu etwa 25 Prozent zu den gesamten Systemkosten beitragen. Nun haben zwei unterschiedliche Forschungsgruppen preiswertere Materialien entwickelt.

Polyoxometallat als Katalysator für Brennstoffzellen

Eine internationale Forschergruppe unter Beteiligung der Jacobs University hat einen Katalysator für Brennstoffzellen entwickelt, der ganz ohne Platin auskommt und trotzdem effizient arbeitet. Es soll die Verbindung zweier nobelpreisträchtiger Materialien sein, die die Forscher um Ulrich Kortz und Ali Haider von der Jacobs University, Guangjin Zhang von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking sowie Naresh Dalal von der Florida State University in Tallahassee der Öffentlichkeit präsentierten. Das eine Material ist das Graphen. Es besteht aus nur einer Lage wabenförmig angeordneter Kohlenstoffatome und ist ein wahres Wundermaterial: Graphen ist reißfester als Stahl und zugleich superleicht, biegsam und durchsichtig. Außerdem leitet es hervorragend Strom. Sind einige Sauerstoffverbindungen an das Graphen gebunden, spricht man von Graphenoxid (GO). Dieses Graphenoxid, das leichter zu verarbeiten ist als reines Graphen, stellten die Forscher her. Auf eine dünne Graphenoxid-Schicht trugen sie dann ein sogenanntes Polyoxometallat (POM) auf, das Kortz zuvor mit seinem Mitarbeiter Haider in Bremen hergestellt hatte. Das POM übernahm die Funktion des Platins als Katalysator. „Es ist schon länger bekannt, dass dieses Polyoxometallat mit der verkürzten Summenformel P8W48 an positiv geladene Teilchen oder Oberflächen andocken kann und dabei sehr stabil ist. So kamen wir in Bremen auf die Idee, es als Katalysator zu nutzen“, erklärt Kortz. „Es war ein Volltreffer. Die Effizienz unseres Katalysators war sogar noch höher als die eines Platinkatalysators. Und er funktionierte auch noch nach tausend Versuchen.“ Die Chancen, dass der neue Katalysator die Brennstoffzellen der Zukunft beeinflusst, stünden nicht schlecht. „Im Idealfall kommt es am Ende zu einer industriellen Anwendung“, so Kortz.

Eisen-Stickstoff-Komplexe als preiswertes Katalysatormaterial

Mit einem neuen Präparationsverfahren haben Teams am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und an der TU Darmstadt ein preiswertes Katalysatormaterial für Brennstoffzellen hergestellt und analysiert: Es besteht aus Eisen-Stickstoff-Komplexen (FeN4-Zentren), die in Kohlenstoff-Strukturen, sogenannten Graphen-Inseln, von nur wenigen Nanometern im Durchmesser eingebettet sind. Dabei sorgen nur die FeN4-Zentren für die katalytische Wirkung, die an die von Platin heranreicht. Die Ergebnisse sollen sich auch für die solare Wasserstoffproduktion nutzen lassen.

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