Neue Methode zum Design winziger 3D-Materialien könnte Brennstoffzellen effizienter machen

Wissenschaftler der UNSW Sydney haben eine neuartige Technik zur Herstellung winziger 3D-Materialien demonstriert, die schließlich Brennstoffzellen wie Wasserstoffbatterien billiger und nachhaltiger machen könnten.

In der Studie veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschrittezeigen Forscher der School of Chemistry der UNSW Science, dass es möglich ist, miteinander verbundene hierarchische Strukturen in 3D im Nanomaßstab nacheinander zu „züchten“, die einzigartige chemische und physikalische Eigenschaften haben, um Energieumwandlungsreaktionen zu unterstützen.

In der Chemie sind hierarchische Strukturen Konfigurationen von Einheiten wie Moleküle innerhalb einer Organisation anderer Einheiten, die selbst geordnet sein können. Ähnliche Phänomene können in der Natur beobachtet werden, beispielsweise in Blütenblättern und Ästen. Aber wo diese Strukturen ein außergewöhnliches Potenzial haben, liegt auf einer Ebene jenseits der Sichtbarkeit des menschlichen Auges – auf der Nanoskala.

Mit herkömmlichen Methoden stellten sich Wissenschaftler als schwierig heraus, diese 3D-Strukturen mit Metallkomponenten im Nanomaßstab zu replizieren. Um zu verstehen, wie klein diese winzigen 3D-Materialien sein müssen – in einem Zentimeter sind 10 Millimeter. Wenn Sie eine Million winzige Segmente in nur einem dieser Millimeter zählen würden, wäre jedes davon ein Nanometer oder nm.

„Bis heute waren Wissenschaftler in der Lage, hierarchische Strukturen im Mikrometer- oder molekularen Maßstab zusammenzubauen“, sagt Professor Richard Tilley, Direktor der Elektronenmikroskop-Einheit an der UNSW und Hauptautor der Studie. „Aber um das Maß an Präzision zu erreichen, das für die Montage im Nanomaßstab erforderlich ist, mussten wir eine völlig neue Bottom-up-Methodik entwickeln.“

Die Forscher nutzten die chemische Synthese, einen Ansatz, der komplexe chemische Verbindungen aus einfacheren aufbaut. Sie waren in der Lage, Nickelverzweigungen mit hexagonaler Kristallstruktur vorsichtig auf Kernen mit kubischer Kristallstruktur zu züchten, um hierarchische 3D-Strukturen mit Abmessungen von etwa 10–20 Nanometern zu erzeugen.

Die resultierende zusammenhängende 3D-Nanostruktur hat eine große Oberfläche, eine hohe Leitfähigkeit aufgrund der direkten Verbindung eines metallischen Kerns und Verzweigungen und besitzt Oberflächen, die chemisch modifiziert werden können. Diese Eigenschaften machen es zu einem idealen Elektrokatalysatorträger – einer Substanz, die hilft, die Reaktionsgeschwindigkeit zu beschleunigen – in der Sauerstoffentwicklungsreaktion, einem entscheidenden Prozess bei der Energieumwandlung. Die Eigenschaften der Nanostruktur wurden mittels elektrochemischer Analyse mit hochmodernen Elektronenmikroskopen untersucht, die von der Electron Microscope Unit bereitgestellt wurden.

„Das Material Schritt für Schritt wachsen zu lassen, steht im Gegensatz zu dem, was wir tun, indem wir Strukturen auf Mikrometerebene zusammenbauen, was mit massivem Material beginnt und es herunterätzt“, sagt die Hauptautorin der Studie, Dr. Lucy Gloag, Postdoktorandin am Fakultät für Chemie, UNSW Science. „Diese neue Methode ermöglicht es uns, die Bedingungen hervorragend zu kontrollieren, wodurch wir alle Komponenten ultraklein – im Nanomaßstab – halten können, wo die einzigartigen katalytischen Eigenschaften vorhanden sind.“

Nanokatalysatoren in Brennstoffzellen

Bei herkömmlichen Katalysatoren, die oft kugelförmig sind, stecken die meisten Atome in der Mitte der Kugel. Es gibt nur sehr wenige Atome auf der Oberfläche, was bedeutet, dass das meiste Material verschwendet wird, da es nicht an der Reaktionsumgebung teilnehmen kann.

Diese neuen 3D-Nanostrukturen wurden entwickelt, um mehr Atome der Reaktionsumgebung auszusetzen, was eine effizientere und effektivere Katalyse für die Energieumwandlung ermöglichen kann, sagt Prof. Tilley.

„Wenn dies in einer Brennstoffzelle oder Batterie verwendet wird, bedeutet eine größere Oberfläche für den Katalysator, dass die Reaktion bei der Umwandlung von Wasserstoff in Strom effizienter ist“, sagt Prof. Tilley.

Laut Dr. Gloag bedeutet dies, dass weniger Material für die Reaktion verwendet werden muss.

„Es wird schließlich auch die Kosten senken, die Energieerzeugung nachhaltiger machen und letztendlich unsere Abhängigkeit weiter weg von fossilen Brennstoffen verlagern.“

In der nächsten Forschungsphase werden die Wissenschaftler versuchen, die Oberfläche des Materials mit Platin zu modifizieren, das ein überlegenes katalytisches Metall ist, aber teurer. Etwa ein Sechstel der Kosten eines Elektroautos allein entfällt auf das Platin, das die Brennstoffzelle antreibt.

„Diese außergewöhnlich großen Oberflächenbereiche würden ein Material wie Platin unterstützen, das in einzelnen Atomen geschichtet werden könnte, sodass wir diese teuren Metalle in einer Reaktionsumgebung absolut optimal nutzen können“, sagt Prof. Tilley.