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Ein Katalysator für billigere Brennstoffzellen
Ein neuer Katalysator auf Eisenbasis funktioniert ebenso wie Katalysatoren auf Platinbasis zur Beschleunigung der chemischen Reaktionen in Wasserstoffbrennstoffzellen. Die Erkenntnis könnte dazu beitragen, Brennstoffzellen für Elektroautos günstiger und praktischer zu machen.
Katalysatorrezept: Ruß, Eisenacetat und ein rotes oder weißes Füllmaterial werden verwendet, um den endgültigen Katalysator herzustellen.
Brennstoffzellenforscher haben nach billigeren und reichlicheren Alternativen zu Platin gesucht, das zwischen 1.000 und 2.000 US-Dollar pro Unze kostet und fast ausschließlich in nur zwei Ländern abgebaut wird: Südafrika und Russland. Es ist seit langem bekannt, dass ein vielversprechender Katalysator, der weitaus kostengünstigere Materialien – Eisen, Stickstoff und Kohlenstoff – verwendet, die notwendigen Reaktionen fördert, jedoch mit Geschwindigkeiten, die viel zu langsam sind, um praktikabel zu sein.
Jetzt haben Forscher des Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) in Quebec die Leistung dieser Art von Katalysator auf Eisenbasis dramatisch gesteigert. Ihr Material erzeugt 99 Ampere pro Kubikzentimeter bei 0,8 Volt, ein Schlüsselmaß für die katalytische Aktivität. Das ist 35-mal besser als der bisher beste NEM-Katalysator und nah am Ziel des Department of Energy für Brennstoffzellen-Katalysatoren: 130 Ampere pro Kubikzentimeter. Es entspricht auch der Leistung typischer Platinkatalysatoren, sagt Jean-Pol Dodelet , Professor für Energie, Materialien und Telekommunikation am INRS, der die Arbeit leitete.
Die Verbesserung, über die in der neuesten Ausgabe des Journals berichtet wird Wissenschaft , ist ziemlich überraschend, sagt Radoslav Adzic , ein leitender Chemiker am Brookhaven National Laboratory in Upton, NY, der auch Katalysatoren für Brennstoffzellen entwickelt. Das neue Material erfüllt einen vor fünf Jahren gesetzten Benchmark für Wasserstoff-Brennstoffzellen, von dem wir dachten, dass ihn niemand jemals erreichen würde, fügte hinzu Hubert Gasteiger , Gastprofessor für Maschinenbau am MIT. Erstmals ist ein NEM-Katalysator sinnvoll.
Die wichtigste Erkenntnis der INRS-Forscher war, einen Weg zu finden, die Anzahl der aktiven katalytischen Zentren im Material zu erhöhen – mit mehr Zentren für chemische Reaktionen erhöht sich die Gesamtgeschwindigkeit der Reaktionen im Material. In früheren Arbeiten hatten die Forscher gezeigt, dass das Erhitzen von Ruß (einer pulverförmigen Form von Kohlenstoff ähnlich dem Graphit) auf hohe Temperaturen in Gegenwart von Ammoniak und Eisenacetat nur wenige Atome breite Lücken im Kohlenstoff erzeugt. Stickstoffatome binden an gegenüberliegende Seiten dieser winzigen Lücken, und ein Eisenion überbrückt diese Atome und bildet ein aktives Zentrum für die Katalyse.
Um die Zahl dieser Stellen zu erhöhen, verwendeten die Forscher eine kommerziell erhältliche Form von Kohlenstoff, die bereits viele ähnlich enge Poren aufweist. Das Füllen dieser Poren mit einem stickstoff- und eisenhaltigen Material und das anschließende Erhitzen der Mischung führte zu stark verbesserten Reaktionsgeschwindigkeiten.
Der Katalysator ist für den Einsatz in Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran (PEM) ausgelegt, einem Brennstoffzellentyp, der von Automobilherstellern bevorzugt wird, weil er bei relativ niedrigen Temperaturen arbeitet und eine hohe Leistungsdichte aufweist – das heißt, eine relativ kleine Brennstoffzelle kann genug Strom erzeugen, um ein Auto antreiben. PEM-Brennstoffzellen verwenden Katalysatoren an zwei Elektroden. Ein Katalysator spaltet Wasserstoff und der andere fördert eine Reaktion, bei der Protonen und Sauerstoff zu Wasser kombiniert werden. Schwieriger ist die zweite Reaktion: In konventionellen Brennstoffzellen wird Platin in beiden Elektroden verwendet, aber auf der wasserproduzierenden Seite wird das Zehnfache benötigt. Der neue Katalysator ersetzt Platin auf der wasserproduzierenden Seite und eliminiert fast das gesamte Platin in der Brennstoffzelle.
Vor kurzem wurden andere Nichtedelmetall-Katalysatoren in einem anderen Brennstoffzellentyp, der als alkalische Zelle bezeichnet wird, demonstriert, aber diese funktionieren möglicherweise nicht in der sauren Umgebung in PEM-Brennstoffzellen. Gleichzeitig suchen viele Forscher nach Möglichkeiten, die benötigte Platinmenge zu reduzieren, anstatt das Material vollständig zu ersetzen. Dies könnte Brennstoffzellen kurzfristig erschwinglicher machen, obwohl schließlich, wenn Brennstoffzellen weit verbreitet sind, ein Nichtedelmetall-Katalysator benötigt wird, sagt Adzic.
Dodelet glaubt, dass seine Gruppe zwar das Problem der Erhöhung der Aktivität des Katalysators gelöst hat, es jedoch noch zwei weitere bedeutende Hürden gibt, bevor er in Brennstoffzellen praktikabel sein kann. Zunächst muss die Haltbarkeit des Katalysators verbessert werden. Nach 100 Stunden Testzeit verringerten sich die Reaktionsgeschwindigkeiten um die Hälfte. Und weil der Katalysator nur so schnell arbeiten kann, wie die Reaktanten bereitgestellt werden, muss der Transport von Sauerstoff und Protonen in das Material verbessert werden, was Dodelet den Brennstoffzellen-Ingenieuren überlassen will. Adzic sagt, dass der erste Schritt, um die Haltbarkeit der Materialien zu verbessern, eine genaue Untersuchung des Katalysators sein wird, um besser zu verstehen, wie er funktioniert.