Erschwingliche Katalysatoren Geben Grünen Fahrzeugen Einen Schub

2023 Autor: Peter Bradberry | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-07-27 17:19

Die Reduzierung des Platins in Brennstoffzellenkatalysatoren könnte dazu beitragen, wasserstoffbetriebene Fahrzeuge auf den Massenmarkt zu bringen.

Batteriebetriebene Elektrofahrzeuge, die während der Fahrt kein Kohlendioxid abgeben, werden bald zum Mainstream. Heute machen sie weltweit weniger als 1 Prozent aller Fahrzeuge auf der Straße aus, aber zahlreiche Innovationen bei Funktionen wie den Kosten und der Lebensdauer der Batterie haben die Preise so wettbewerbsfähig gemacht, dass Tesla mehr als 400.000 Vorbestellungen für seine Fahrzeuge in den Brennstoffzellen hat: der Katalysator. Viele kommerzielle Katalysatoren für Brennstoffzellen enthalten das Edelmetall Platin, das nicht nur teuer ist, sondern auch zu selten ist, um die allgegenwärtige Verwendung in Fahrzeugen zu unterstützen.

Die Ermittler verfolgen mehrere Angriffslinien, um den Platingehalt zu verringern: Effizientere Nutzung, Ersetzen eines Teils oder des gesamten durch Palladium (das ähnlich funktioniert und etwas billiger ist), Ersetzen eines dieser Edelmetalle durch kostengünstige Metalle wie Nickel oder Kupfer und vorstehende Metalle insgesamt. Kommerzielle Katalysatoren bestehen in der Regel aus dünnen Schichten von Platin-Nanopartikeln, die auf einem Kohlenstofffilm abgeschieden sind. Forscher testen auch alternative Substrate.

Stanislaus S. Wong von der Stony Brook University, der eng mit Radoslav R. Adzic vom Brookhaven National Laboratory zusammenarbeitet, ist einer der Verantwortlichen. Er und seine Kollegen haben beispielsweise relativ kleine Mengen Platin oder Palladium mit billigeren Metallen wie Eisen, Nickel oder Kupfer kombiniert und so viele legierte Sorten hergestellt, die weitaus aktiver sind als kommerzielle Katalysatoren. Wongs Gruppe hat die Metalle zu ultradünnen eindimensionalen Nanodrähten (ungefähr zwei Nanometer Durchmesser) verarbeitet. Diese Nanodrähte haben ein hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, was die Anzahl der aktiven Zentren für katalytische Reaktionen erhöht.

Natürlich wären platinfreie Katalysatoren ideal. Die Arbeit an ihnen ist neuer, aber auch geschäftiger. So berichtete Sang Hoon Joo vom Ulsan Nationalen Institut für Wissenschaft und Technologie (UNIST) in Südkorea Ende 2016, dass ein mit Eisen und Stickstoff dotierter Kohlenstoffnanoröhrenkatalysator eine Aktivität aufweist, die mit kommerziellen Katalysatoren vergleichbar ist. Außerdem haben Liming Dai von der Case Western Reserve University und seine Kollegen einen Katalysator erfunden, bei dem überhaupt kein Metall verwendet wird. Es ist ein mit Stickstoff und Phosphor dotierter Kohlenstoffschaum, der genauso aktiv ist wie Standardkatalysatoren.

Wong stellt fest, dass die Erfindung und Herstellung eines Materials mit ausgezeichneter katalytischer Aktivität nur ein Teil der Herausforderung ist. Die Forscher arbeiten auch daran, bestehende Laborproduktionsmethoden zu erweitern, um die Konsistenz der Aktivität und Haltbarkeit der besten Kandidaten sicherzustellen. In allen Phasen ihrer Bemühungen erhalten Experimentatoren Hilfe von Theoretikern, die ausgefeilte Computermodelle anwenden, um herauszufinden, wie sich alle möglichen Variablen auf die Leistung auswirken - von der chemischen Zusammensetzung, Größe und Form von Metallnanopartikeln bis hin zu detaillierten Architekturen der Trägerstrukturen. Solche Kooperationen, so Wong, sollten es eines Tages ermöglichen, überlegene Katalysatoren für erschwingliche Brennstoffzellenfahrzeuge rational zu entwickeln.

Das Ziel eines nachhaltigen Verkehrssystems erfordert natürlich nicht nur keine CO2-Emissionen beim Fahren, sondern auch bei der Produktion und Verteilung des Kraftstoffs, sei es Strom oder Wasserstoff. Diese größere Herausforderung bleibt bestehen.