In der Elektromobilität – insbesondere im Schwerverkehr – holen Brennstoffzellen derzeit immer mehr auf den reinen Batterieantrieb auf. Allerdings brauchen Brennstoffzellen einen Elektrokatalysator, der die elektrochemische Reaktion, bei der der Strom erzeugt wird, verbessert. Um in die Brennstoffzelle eingesetzt werden zu können, muss der Katalysator eine Oberfläche mit sehr kleinen Platin-Kobalt-Partikeln im Nanometer-Bereich besitzen, die auf ein leitfähiges Trägermaterial aus Kohlenstoff aufgetragen wird. Diese kleinen Partikel und auch der Kohlenstoff in der Brennstoffzelle korrodieren im Laufe der Zeit jedoch, was dazu führt, dass die Zelle an Effizienz und Stabilität verliert.
Ein internationales Forscherteam unter Leitung von Professor Matthias Arenz vom Departement für Chemie und Biochemie (DCB) der Universität Bern konnte nun mittels eines speziellen Verfahrens einen Elektrokatalysator ohne Kohlenstoffträger entwickeln, der – im Gegensatz zu bestehenden Katalysatoren – aus einem dünnen Metallnetzwerk besteht und dadurch langlebiger ist. „Der von uns entwickelte Katalysator erreicht eine große Leistungsfähigkeit und verspricht einen stabilen Brennstoffzellenbetrieb auch bei höherer Temperatur und hoher Stromdichte“, sagt Matthias Arenz.
Geringere Oberfläche – geringere Leistung
In einer Wasserstoff-Brennstoffzelle entsteht elektrischer Strom, indem Wasserstoff mittels einer Elektrode in positiv geladene Protonen und negativ geladene Elektronen aufgespalten wird. Die Elektronen fließen daraufhin über die Elektrode ab. Außerhalb der Zelle erzeugen sie dann den elektrischen Strom, der zum Beispiel einen Motor antreibt. Die Protonen reagieren auf der anderen Seite einer speziellen Membran an einer zweiten, mit einem Katalysator beschichteten Elektrode mit Sauerstoff aus der Luft. Hier entsteht der Wasserdampf, der durch den Auspuff abgeführt wird.
Für die Stromproduktion müssen beide Elektroden mit einem Katalysator beschichtet sein, da die chemischen Reaktionen andernfalls nur sehr langsam ablaufen würden – insbesondere bei der zweiten, der Sauerstoffelektrode. Die Platin-Kobalt-Nanopartikel des Katalysators können jedoch beim Betrieb in einem Fahrzeug „zusammenschmelzen“, wodurch die Oberfläche des Katalysators und damit die Leistungsfähigkeit der Zelle verringert wird.
Darüber hinaus kann der zur Befestigung des Katalysators eingesetzte Kohlenstoff beim Einsatz im Straßenverkehr korrodieren. Das hat wiederum eine kürzere Lebensdauer der Brennstoffzelle und somit auch des Autos zu Folge. „Unsere Motivation war es daher, einen Elektrokatalysator ohne Kohlenstoffträger herzustellen, der dennoch leistungsfähig ist“, erklärt Matthias Arenz. Bisher verfügten ähnliche Katalysatoren ohne Trägermaterial immer nur über eine geringere Oberfläche. Da die Größe der Oberfläche aber für die Aktivität des Katalysators und somit seine Leistungsfähigkeit entscheidend ist, kam ein industrieller Einsatz kaum in Frage.
Dank „Sputtern“ zu längerer Lebensdauer
Die Forscher konnten ihre Idee dank eines speziellen Verfahrens, der Kathodenzerstäubung („Sputtern“) umsetzen. Bei dieser Methode würden einzelne Atome eines Materials (hier Platin bzw. Kobalt) durch Beschuss mit Ionen herausgelöst (zerstäubt), erklären sie. Die herausgelösten gasförmigen Atome würden anschließend als haftende Schicht kondensieren. „Mit dem speziellen Sputterverfahren und anschließender Behandlung kann eine sehr poröse Struktur erreicht werden, die dem Katalysator eine große Oberfläche gibt und gleichzeitig selbsttragend ist. Ein Kohlenstoffträger ist somit überflüssig», so Dr. Gustav Sievers, Studien-Erstautor vom Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie.
„Diese Technologie ist industriell skalierbar und kann somit auch für größere Produktionsvolumen beispielsweise in der Fahrzeugindustrie eingesetzt werden“, sagt Matthias Arenz. Mit dem Verfahren könne die Wasserstoff-Brennstoffzelle weiter für den Einsatz im Straßenverkehr optimiert werden. „Unsere Erkenntnisse sind somit von Bedeutung für die Weiterentwicklung von nachhaltiger Energienutzung, insbesondere angesichts der aktuellen Entwicklungen im Mobilitätssektor für den Schwerverkehr.“
Die Wissenschaftler haben die Resultate ihrer Studie im Fachjournal Nature Materials publiziert. Sie ist eine internationale Zusammenarbeit des DCB unter anderen mit der Universität Kopenhagen und dem Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie, bei der auch die Infrastruktur der Swiss Light Source (SLS) am Paul Scherrer Institut zum Einsatz kam. Finanziert wurde die Studie unter anderem durch den Schweizerischen Nationalfonds (SNF), das Deutsche Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und das Danish National Research Foundation Center für High-Entropy Alloy Catalysis.
Titelbild: Der neue Elektrokatalysator für Wasserstoff-Brennstoffzellen besteht aus einem dünnen Platin-Kobaltlegierungsnetzwerk und kommt im Gegensatz zu den heute üblichen Katalysatoren ohne Kohlenstoffträger aus. © Gustav Sievers