Forscher der University of California, Riverside, haben ein kostengünstiges und effizientes alternatives Katalysatormaterial für Brennstoffzellen, eine sauberere Stromquelle als Erdgas oder Kohle.

Ihre Arbeit wird in veröffentlicht Klein.

Eine Brennstoffzelle verwendet Brennstoffe wie Wasserstoff, um sauberere und effizientere Energie als herkömmliche Verbrennungsquellen zu erzeugen. Darüber hinaus bietet es ein breites Anwendungsspektrum, vom Betrieb eines ganzen Kraftwerks bis hin zum Betrieb eines einzelnen Laptops.

In der Automobilindustrie bieten beispielsweise mit Wasserstoff-Brennstoffzellen betriebene Fahrzeuge im Vergleich zu herkömmlichen Benzinfahrzeugen Vorteile wie höhere Effizienz, leiseren Betrieb und geringere Emissionen um 50 oder sogar 90 Prozent.

Trotz all der positiven Aspekte sind die Industrien bei der vollständigen Einführung von Brennstoffzellen langsam. Wieso den? Geld. Der Schlüsselbestandteil der Brennstoffzelle, Platin, ist ein sehr teures, seltenes Metall.

„Ich hatte zuvor in der Industrie gearbeitet, wo ich mich darauf konzentrierte, effiziente Brennstoffzellen- und Batteriematerialien zu entwickeln“, sagte David Kissailus, der leitende Forscher und der Winston Chung Stiftungsprofessor Energieinnovation bei UCR Marlon und Rosemary Bourns College of Engineering. „Während dieser Zeit war bekannt, dass die Kosten einer der Hauptfaktoren waren, die die Entwicklung von Brennstoffzellen begrenzten, und dass Platin der Hauptfaktor war, der die Kosten in die Höhe trieb. Daher wollten wir einen erschwinglicheren Katalysator haben, der so gut wie Platin funktionieren könnte.“

Worum geht es?

Durch eine Technik namens Elektrospinnen stellten die Forscher hauchdünne, hochporöse Blätter aus Kohlenstoff-Nanofasern her, die aus Metallionen wie Kobalt bestehen, das mehr als 100-mal billiger ist als Platin. Beim Erhitzen bildeten die Ionen in den Blechen ultrafeine Metallnanopartikel, die die Umwandlung von Kohlenstoff in einen hochleistungsfähigen graphitischen Kohlenstoff katalysierten.

Aus diesem Katalysatormaterial wird eine Brennstoffzelle namens Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) hergestellt, die die chemische Energie von Wasserstoff in Strom umwandelt. Es ist einer der vielversprechendsten Brennstoffzellentypen für den Antrieb von Autos und Elektronik.

Bei Verwendung relativ reichlich vorhandener und billigerer Metallionen, wie Kobalt, schnitt dieses Katalysatormaterial genauso gut wie Platin ab.

„Der Schlüssel zur hohen Leistungsfähigkeit der von uns entwickelten Materialien ist die Kombination aus Chemie und Faserverarbeitungsbedingungen“, sagte Kisailus in einer Erklärung. „Die bemerkenswerten elektrochemischen Eigenschaften wurden in erster Linie den synergistischen Effekten zugeschrieben, die sich aus der Konstruktion des Metalloxids mit exponierten aktiven Zentren und der hierarchischen 3D-porösen graphitischen Struktur ergeben.“

Preissenkung für Brennstoffzellenautos

Laut Kisailus sorgt die Graphitfaser-Natur des Materials für zusätzliche Festigkeit und Haltbarkeit, sodass es sowohl als Brennstoffzellenkatalysator als auch möglicherweise als Strukturkomponente verwendet werden kann.

Mit dem neuen Katalysatormaterial können Autohersteller beispielsweise die Strukturkomponenten eines Fahrzeugs wie die Motorhaube in funktionale Elemente umwandeln, die den Antrieb von Autos unterstützen.

„Eine wichtige Herausforderung bei der Herstellung von Hochleistungsfahrzeugen besteht darin, das Gewicht sowohl der Fahrzeugkarosserie als auch des zusätzlichen Gewichts der Batterie oder Brennstoffzelle zu reduzieren, ohne die Sicherheit oder Leistung zu beeinträchtigen“, sagte Kisailus in einer Erklärung.

Aber zumindest wird dieses neue Material, das aus viel billigeren Metallen als Platin besteht, es den Autoherstellern ermöglichen, erschwingliche Brennstoffzellenfahrzeuge zu bauen.

„Wir behaupten nicht, dass der neue Katalysator effizientere Autos schaffen wird, aber er wird sie erschwinglicher und damit für die breite Öffentlichkeit zugänglicher machen“, sagte Kisailus.

Die Forscher planen, ihre Technologie zu skalieren.  

„Wir wollen sicherstellen, dass wir große Mengen dieser Materialien herstellen und gleichzeitig die Leistung beibehalten können“, sagte Kisailus. „Seit der Veröffentlichung des Artikels haben mich bereits drei Unternehmen kontaktiert, um zusammenzuarbeiten. Wir erwägen jetzt ein Start-up-Unternehmen.“