Brennstoffzellen, die Wasserstoff zu Strom umwandeln und dabei nur reines Wasser als Nebenprodukt produzieren, haben das Potenzial, die individuelle Mobilität in eine umweltfreundliche Zukunft zu führen. Solche sogenannten Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen haben bereits in ersten Praxistests ihren erfolgreichen Einsatz in Autos und Bussen unter Beweis gestellt. Weitere Forschung bleibt jedoch nötig, um Langlebigkeit und Wirtschaftlichkeit dieser Technologie zu verbessern. Forscher der TU Dresden und des Paul Scherrer Instituts (PSI, Villigen, Schweiz) haben nun ein neues Nanomaterial hergestellt und charakterisiert, das Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit dieser Brennstoffzellen - bei gleichzeitiger Reduktion der Materialkosten - um ein Vielfaches erhöhen könnte.

In einer Wasserstoff-Brennstoffzelle wird Wasserstoff durch elektrochemische Reaktionen zu Strom und Wasser umgewandelt. Ein wichtiger Schritt dabei ist die Sauerstoff-Reduktion an der positiven Elektrode der Zelle. Sauerstoffmoleküle, die in die Zelle eingespeist werden, werden dabei zu Wasser umgewandelt. Diese Reaktion geht unter normalen Bedingungen nur sehr langsam vor sich. Daher sind Katalysatoren notwendig, um die Umwandlung zu beschleunigen. In konventionellen Zellen erfüllen Edelmetalle wie Platin diese katalytische Funktion. Die dabei verwendeten Platin-Nanopartikel werden von einem Substrat aus hochoberflächigem Kohlenstoff getragen, das dem Katalysator mechanischen Halt bietet. Das Kohlenstoff-Substrat kann jedoch unter dem üblichen Start-Stopp-Betrieb im Stadtverkehr oder bei Leerlauf leicht korrodieren und dadurch die Funktion des Katalysators beeinträchtigen, was auch die Lebensdauer der gesamten Brennstoffzelle verkürzt. Seit Langem suchen Forscher deshalb nach Katalysatoren für die Sauerstoff-Reduktion, die ohne Träger (Substrat) auskommen und dabei eine hohe spezifische Oberfläche mit vielen aktiven Zentren sowie eine gute Langzeitstabilität aufweisen.

Ein internationales Team aus Wissenschaftlern der TU Dresden und des Paul Scherrer Instituts (PSI) hat nun in dieser Richtung einen großen Fortschritt erzielt. Mit einem dreidimensionalen Aerogel aus einer Platin-Palladium-Legierung konnten sie die katalytische Aktivität für die Sauerstoff-Reduktion an der positiven Elektrode einer Wasserstoff-Brennstoffzelle im Vergleich zu marktüblichen Katalysatoren aus Platin auf Kohlenstoffträger um das Fünffache erhöhen. Das bedeutet, dass nun mit nur einem Fünftel der Edelmetallmenge die gleiche Sauerstoffmenge umgesetzt wird. Könnte man diese Reduktion der erforderlichen Platinladung auf eine industrielle Skala übertragen, hätte das eine erhebliche Senkung der Herstellungskosten für diese Brennstoffzellen zur Folge. Das Aerogel, eine Art nanostrukturierter Schaumstoff, hat zudem Langzeittests im Labor bestanden, bei denen die typischen Betriebsbedingungen in einem Fahrzeug simuliert wurden.

Luftiges Geflecht aus Nanodrähten
Das von Forschern der Professur für Physikalische Chemie der Technischen Universität Dresden synthetisierte Aerogel bildet ein dreidimensionales Netzwerk aus Nanodrähten und zeichnet sich durch eine sehr hohe Porosität und innere Oberfläche aus. Diese Eigenschaften erleichtern das Andocken vieler Sauerstoffmoleküle an die katalytisch aktiven Platinatome - eine Voraussetzung für die effiziente Umwandlung des Sauerstoffs.

Hohe Porosität und große Oberflächen treten auch bei den Katalysatoren auf, die in Brennstoffzellen verwendet werden, jedoch nur, wenn Platinpartikel auf Kohlenstoff geträgert sind. „Der entscheidende Vorteil des neuen Aerogels liegt darin, dass es diese Vorzüge mit einer ausgedehnten dreidimensionalen und selbsttragenden Struktur kombiniert, was einen Träger komplett überflüssig macht“, bestätigt Dr. Wei Liu, die Erstautorin des kürzlich veröffentlichten Fachartikels zu den Ergebnissen ist.

Bimetall-Aerogel zum ersten Mal synthetisiert
Wegen ihrer hervorragenden Eigenschaften für viele Anwendungen in Elektrochemie und Sensorik haben Aerogele in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Zahlreiche Forschergruppen versuchen sich weltweit an der Herstellung neuer Aerogele, meist in der Gewissheit, dass nützliche Anwendungen folgen werden. Doch bisher blieb ihr Erfolg auf eine kleine Gruppe von chemischen Substanzen beschränkt: Die meisten Aerogele bestehen aus Oxiden oder aus einzelnen Metallen. Theoretische Überlegungen hatten jedoch nahegelegt, dass Katalysatoren aus bestimmten Metalllegierungen verbesserte katalytische Aktivität und Stabilität besitzen würden und so versuchte man, diese Eigenschaften in einen Aerogel-Katalysator zu implementieren. „Nachdem wir bereits Erfahrungen mit bimetallischen Aerogelen sammeln konnten, ist es uns nun erstmals gelungen, ein Aerogel aus einer Metalllegierung herzustellen“, sagt Prof. Dr. Alexander Eychmüller, Inhaber der Professor für Physikalische Chemie an der TU Dresden und Mitautor der Studie.

Die neue Arbeit bestätigt die Hoffnungen, die man in diese Materialien gesetzt hatte. So liegt zum Beispiel der Schlüssel für die verbesserte Aktivität des neuen Aerogels darin, dass durch die Legierung mit Palladium die Bindungsstärke zwischen den Platinatomen und den Sauerstoff enthaltenden Verbindungen optimiert wird. Das heißt, die Bindung ist so stark, dass die Sauerstoffmoleküle gerade lange genug für die Umwandlung zu Wasser gebunden bleiben, aber gleichzeitig auch schwach genug, dass die Reaktion vorzugsweise abläuft und der Katalysator an der Oberfläche nicht oxidiert. Dies optimiert die Anzahl der aktiven Zentren, so dass Sauerstoffmoleküle andocken und in hohen Raten umgesetzt werden können.

Weitere Fragen sind noch offen
Noch nicht verstanden haben die Forscher einen weiteren Vorteil der Legierung, nämlich die höhere Stabilität des Bimetall-Aerogels im Vergleich zu Monometall-Aerogelen aus reinem Platin. „Offensichtlich spielt auch hier die Präsenz von Palladium im Aerogel eine wichtige Rolle, wir wissen aber noch nicht genau, wie sich dies auf die Stabilität des Katalysators auswirkt“, erklärt Thomas Justus Schmidt, Professor für Elektrochemie an der ETH Zürich und Leiter des Labors für Elektrochemie am PSI.

Dieser und weiteren Fragen in Bezug auf das neue Nanomaterial wollen sich die Wissenschaftler in einem Folgeprojekt über die nächsten drei Jahre widmen. „Wir sind zurzeit dabei, einen Finanzierungsantrag gemeinsam mit der TU Dresden auszuarbeiten, um das bisher intern finanzierte Projekt auf eine breitere finanzielle Basis zu stellen“, so Schmidt weiter.
(Text PSI und TU Dresden)

Originalpublikation:
Wei Liu, Paramaconi Rodriguez, Lars Borchardt, Annette Foelske, Jipei Yuan, Anne-Kristin Herrmann, Dorin Geiger, Zhikun Zheng, Stefan Kaskel, Nikolai Gaponik, Rüdiger Kötz, Thomas J. Schmidt, Alexander Eychmüller, Bimetallic Aerogels: High-Performance Electrocatalysts for the Oxygen Reduction Reaction, Angew. Chem. Int. Ed. 2013, DOI: 10.1002/anie.201303109.
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201303109/full
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.201303109/full

Informationen für Journalisten:
Prof. Alexander Eychmüller
Physikalische Chemie
Technische Universität Dresden
Tel. +49 351 463-39843