Neue Katalysatorklasse für Brennstoffzellen schlägt
reines Platin um Längen.
Wasserstoff-Brennstoffzellen gelten als Automobil-Antrieb der Zukunft,
kranken bisher allerdings noch an mangelnder Konkurrenzfähigkeit. An der
University of Houston (Texas, USA) hat ein Team um Peter Strasser jetzt
eine neue Klasse von Elektrokatalysatoren entwickelt, die helfen könnte,
die Leistung von Brennstoffzellen zu erhöhen. Die aktive Phase des
Katalysators bilden Nanopartikel mit einer platinreichen Schale und
einem Kern aus einer Kupfer-Cobalt-Platin-Legierung. Sie zeigt eine
bisher unerreichte Aktivität bei der Reduktion von Sauerstoff.
Wasserstoff-Brennstoffzellen sind eine gezähmte Version der
Knallgasreaktion, bei der Sauerstoff und Wasserstoff explosionsartig
zu Wasser reagieren. Damit das Ganze sanft verläuft und die
freiwerdende Energie in Form von Strom abgezapft werden kann, finden
die Reaktionen der beiden Reaktionspartner in einer Brennstoffzelle
als zwei räumlich getrennte Teilreaktionen statt. In der einen
Halbzelle nimmt Sauerstoff an einer Elektrode Elektronen auf
(Reduktion), in der anderen gibt Wasserstoff Elektronen ab
(Oxidation). Die Zellen sind durch Polymerelektrolyt-Membranen
verbunden, über die der Stoffaustausch läuft.
Damit die Reaktion laufen kann, müssen die Elektroden katalytisch
wirken. Material der Wahl für die Elektrode der
Sauerstoff-Teilreaktion ist seit Jahrzehnten das Edelmetall Platin.
Nun haben Strasser und sein Team ein neues Material entwickelt: Eine
Legierung aus Platin, Kupfer und Cobalt, die in Form von Nanopartikeln
auf Trägern aus Kohlenstoff aufgebracht ist. Die eigentliche
katalytisch aktive Phase entsteht erst in situ: Wird eine zyklisch
wechselnde Spannung an die Elektrode angelegt, lösen sich an der
Oberfläche der Nanopartikel selektiv die weniger edlen Metallatome,
vor allem Kupfer, aus der Legierung heraus. So entstehen Nanopartikel
mit einem Kern aus der ursprünglichen kupferreichen Legierung und
einer fast nur Platin enthaltenden Schale.
"Die sauerstoffreduzierende Aktivität unseres neuen
elektrokatalytischen Nanomaterials ist bisher unerreicht - etwa vier-
bis fünfmal höher als beim reinen Platin. Zudem konnten wir zeigen,
wie man dieses Material in einer richtigen Brennstoffzelle in situ
einsetzt und aktiviert," sagt Strasser. Die beobachtete
Oberflächenzunahme der Nanopartikel reicht als Erklärung nicht aus.
Strasser vermutet, dass spezielle veränderte strukturelle
Charakteristika der Oberfläche eine Rolle spielen. Obwohl die
Partikeloberfläche hauptsächlich aus Platin besteht, scheinen die
Abstände zwischen den Platinatomen hier kürzer zu sein als bei reinem
Platin. Diese Stauchung kann durch den Legierungskern stabilisiert
werden, der aufgrund des Kupfers und Cobalts noch stärker verkürzte
Platin-Abstände zeigt. Zudem scheint der kupferreiche Kern die
elektronischen Eigenschaften der Platinschale zu beeinflussen.
Theoretische Betrachtungen haben ergeben, dass der Sauerstoff so
optimal an die Partikeloberfläche binden kann und sich leichter
reduzieren lässt.