Eine Brennstoffzelle ist ein Stromgenerator, der Strom aus Wasserstoffgas erzeugen kann, während er nur Wasser als Abfallprodukt abgibt. Es ist zu hoffen, dass dieses hocheffiziente saubere Energiesystem eine Schlüsselrolle bei der Einführung der Wasserstoffwirtschaft spielen wird, indem es Verbrennungsmotoren und Batterien in Autos und Lastwagen sowie Kraftwerke ersetzt.
Die Kosten für Platin, die bis zu 30.000 USD pro kg betragen können, waren jedoch eine große Einschränkung, wodurch Brennstoffzellenkatalysatoren unerschwinglich teuer wurden. Die Herstellungsverfahren für hochleistungsfähige Katalysatoren waren ebenfalls kompliziert und weitgehend begrenzt. Dementsprechend ist die Entwicklung eines einfachen und skalierbaren Produktionsverfahrens für Brennstoffzellenkatalysatoren auf Platinbasis eine dringende Herausforderung, zusammen mit der Verbesserung der katalytischen Leistung und Stabilität bei gleichzeitiger Verwendung einer minimalen Menge an Platin.
Um dieses Problem anzugehen, hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Sung Yung-Eun und Prof. Hyeon Taeghwan am Center for Nanoparticle Research (CNR) innerhalb des Institute for Basic Science (IBS), Südkorea, eine neuartige Methode zur Herstellung entdeckt von Nanokatalysatoren.
Die Forscher zeigten, dass diese Nanopartikel aus einer Kobalt-Platin-Legierung (Co-Pt) mit einheitlicher Größe (3–4 Nanometer) durch eine einfache Wärmebehandlung hergestellt werden können. Dieses Verfahren vereint Merkmale der einfachen Synthese des Imprägnierungsverfahrens zusammen mit der präzisen Kontrolle über die Größe und Form der Nanokristalle ähnlich dem kolloidalen Verfahren.
Die vom CNR-IBS-Team entwickelten neuartigen Co-Pt-Legierungs-Nanokatalysatoren bestehen aus zwei entgegengesetzt geladenen Metallkomplexen, insbesondere Co- und Pt-Ionen, die von Bipyridin- bzw. Chlorliganden umgeben sind.
Das Forschungsteam stellte die Hypothese auf, dass eine einfache Wärmebehandlung dazu führen würde, dass sich der Bipyridin-Ligand thermisch in eine Kohlenstoffhülle zersetzt, die die wachsenden Co-Pt-Legierungs-Nanopartikel schützen kann. Nach Optimierung der Wärmebehandlungsbedingungen gelang es ihnen, einen sehr gleichmäßigen Nanokatalysator mit Nanopartikeln von nur 3–4 Nanometern Größe zu erhalten.
In dem von der Gruppe entwickelten Nanokatalysator waren Co- und Pt-Atome in einer regelmäßigen Weise angeordnet, die als „intermetallische Phase“ bezeichnet wird, in der die instabilen Co-Atome durch die umgebenden Pt-Atome stabilisiert werden. Wenn Stickstoff effektiv auf den Kohlenstoffträger dotiert wurde, wurden Ionomere (Protonenleiter) außerdem homogen über die gesamte Katalysatorschicht in der Brennstoffzelle dispergiert, was die Zufuhr von Sauerstoffgas zur Oberfläche des Co-Pt-Nanokatalysators besser erleichterte.
Diese strukturellen Merkmale summieren sich zu einer stark verbesserten Leistungsleistung in der Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle, die eine hohe spezifische Nennleistung von 5,9 kW/gPt aufweist, was etwa dem Doppelten der aktuellen Leistung in einem kommerziellen Wasserstofffahrzeug entspricht. Der vom Team produzierte Katalysator hat die meisten der vom US-Energieministerium (DOE) gesetzten Ziele für 2025 mit dem Ziel eines stabilen Langzeitbetriebs der Brennstoffzelle erreicht.
Das CNR-IBS-Team ist fest davon überzeugt, dass diese Studie die Entwicklung von Brennstoffzellenkatalysatoren der nächsten Generation anregen würde. Diese Erkenntnisse würden auch zur Verbesserung der katalytischen Leistung und Haltbarkeit von Legierungs-Nanokatalysatoren für verschiedene andere elektrokatalytische Anwendungen beitragen.
Prof. Hyeon sagte: „Das Design einer neuartigen bimetallischen Verbindung als Vorläufermaterial war der entscheidende Ausgangspunkt dieser Studie. Wir haben eine Plattformtechnologie entwickelt, um eine komplizierte Form von Legierungs-Nanokatalysatoren durch ein einfaches und skalierbares Verfahren herzustellen, und schließlich erreicht eine verbesserte Brennstoffzellenleistung mit weniger verwendetem Platin.“
Prof. Sung sagte: „In dieser Forschung wurde ein Weltklasse-Niveau der Brennstoffzellenleistung erreicht, das die meisten Ziele des US DOE für 2025 übertrifft, indem die Menge an Platin verringert wird, die bis zu etwa 40 % der Brennstoffkosten ausmachen kann Zellen.“ Er fügte hinzu: „Wir gehen davon aus, dass diese Studie zusammen mit einigen Folgestudien das Wachstum der Wasserstofffahrzeugindustrie und die Realisierung der Wasserstoffwirtschaft in naher Zukunft stark beeinflussen wird.“
Die Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht Energie- und Umweltwissenschaften.
Mehr Informationen:
Tae Yong Yoo et al, Skalierbare Produktion eines intermetallischen Pt-Co-Elektrokatalysators für Hochleistungs-Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen, Energie- und Umweltwissenschaften (2023). DOI: 10.1039/D2EE04211H