"Der neue Katalysator kann es ermöglichen, Wasserstoff-Fahrzeuge in einem weitaus größeren Maßstab auf den Markt zu bringen, als dies in der Vergangenheit jemals möglich gewesen wäre"
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Brennstoffzellen für Wasserstofffahrzeuge werden immer langlebiger
von der Universität Kopenhagen
Der neue Elektrokatalysator für Wasserstoff-Brennstoffzellen besteht aus einem dünnen Platin-Kobalt-Legierungsnetzwerk und benötigt im Gegensatz zu den heute üblichen Katalysatoren keinen Kohlenstoffträger.
Ungefähr 1 Milliarde Autos und Lastwagen rasen über die Straßen der Welt. Nur wenige fahren mit Wasserstoff. Das könnte sich nach einem Durchbruch der Forscher an der Universität Kopenhagen ändern. Der Durchbruch? Ein neuer Katalysator, der zur Herstellung von billigeren und weitaus nachhaltigeren wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen verwendet werden kann.
Wasserstofffahrzeuge sind ein seltener Anblick. Das liegt zum Teil daran, dass sie auf eine große Menge Platin angewiesen sind, um in ihren Brennstoffzellen als Katalysator zu dienen - etwa 50 Gramm. Normalerweise benötigen Fahrzeuge nur etwa fünf Gramm dieses seltenen und kostbaren Materials. Tatsächlich werden in Südafrika jährlich nur 100 Tonnen Platin abgebaut.
Nun haben Forscher der Fakultät für Chemie der Universität Kopenhagen einen Katalysator entwickelt, der nicht so große Mengen Platin benötigt.
"Wir haben einen Katalysator entwickelt, der im Labor nur einen Bruchteil der Platinmenge benötigt, die heutige Wasserstoff-Brennstoffzellen für Autos verbrauchen. Wir nähern uns der gleichen Menge Platin, wie sie für ein konventionelles Fahrzeug benötigt wird. Gleichzeitig ist der neue Katalysator viel stabiler als die Katalysatoren, die in den heutigen wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen eingesetzt werden", erklärt Professor Matthias Arenz vom Fachbereich Chemie.
Ein Paradigmenwechsel für Wasserstofffahrzeuge
Nachhaltige Technologien werden oft durch die begrenzte Verfügbarkeit der seltenen Materialien, die sie ermöglichen, in Frage gestellt, was wiederum die Skalierbarkeit einschränkt. Aufgrund dieser derzeitigen Beschränkung ist es unmöglich, die Fahrzeuge der Welt einfach über Nacht durch Wasserstoffmodelle zu ersetzen. Daher ist die neue Technologie ein Wendepunkt.
"Der neue Katalysator kann es ermöglichen, Wasserstoff-Fahrzeuge in einem weitaus größeren Maßstab auf den Markt zu bringen, als dies in der Vergangenheit jemals möglich gewesen wäre", erklärt Professor Jan Rossmeisl, Leiter des Zentrums für Katalyse von hochentropischen Legierungen am Department of Chemistry der UCPH.
Der neue Katalysator verbessert Brennstoffzellen erheblich, indem er es ermöglicht, mehr Pferdestärken pro Gramm Platin zu produzieren. Dies wiederum macht die Produktion von Wasserstoff-Brennstoffzellen-Fahrzeugen nachhaltiger.
Haltbarer, weniger Platin
Da nur die Oberfläche eines Katalysators aktiv ist, werden so viele Platinatome wie möglich benötigt, um ihn zu beschichten. Außerdem muss ein Katalysator langlebig sein. Hier liegt der Konflikt. Um möglichst viel Oberfläche zu gewinnen, basieren die heutigen Katalysatoren auf Platin-Nano-Partikeln, die über Kohlenstoff beschichtet sind. Leider macht Kohlenstoff die Katalysatoren instabil. Der neue Katalysator zeichnet sich dadurch aus, dass er kohlenstofffrei ist. Anstelle von Nanopartikeln haben die Forscher ein Netzwerk von Nanodrähten entwickelt, die sich durch eine große Oberfläche und eine hohe Haltbarkeit auszeichnen.
"Mit diesem Durchbruch ist die Vorstellung, dass Wasserstofffahrzeuge alltäglich werden, realistischer geworden. Er ermöglicht es ihnen, billiger, nachhaltiger und langlebiger zu werden", sagt Jan Rossmeisl.
Dialog mit der Automobilindustrie
Der nächste Schritt für die Forscher ist die Skalierung ihrer Ergebnisse, damit die Technologie in Wasserstofffahrzeugen umgesetzt werden kann.
"Wir sind in Gesprächen mit der Automobilindustrie darüber, wie dieser Durchbruch in der Praxis umgesetzt werden kann. Es sieht also recht vielversprechend aus", sagt Professor Matthias Arenz.
Die Forschungsergebnisse sind soeben in Nature Materials, einer der führenden wissenschaftlichen Zeitschriften für Materialforschung, veröffentlicht worden. Es ist der erste Artikel, an dem alle Forscher des Grundlagenforschungszentrums "Center for High Entropy Alloy Catalysis (CHEAC)" mitgearbeitet haben. Das Zentrum ist ein sogenanntes Center of Excellence, das von der Dänischen Nationalen Forschungsstiftung unterstützt wird.
"Im Zentrum entwickeln wir neue Katalysatormaterialien, um nachhaltige Chemikalien und Brennstoffe zu schaffen, die der Gesellschaft helfen, die chemische Industrie grüner zu machen. Dass es nun möglich ist, die Produktion von Wasserstofffahrzeugen in großem Maßstab und auf nachhaltige Weise zu steigern, ist ein großer Schritt vorwärts", sagt der Leiter des Zentrums, Jan Rossmeisl.
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