Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Journal Nature Materials: Geformter Superkatalysator für effiziente Brennstoffzellen

17.06.2013
90 Prozent des teuren Platins eingespart / Veröffentlichung im renommierten „Journal Nature Materials“

Chemische Energiespeicher und -wandler gelten als die Schlüsseltechnologie zur Nutzbarmachung von erneuerbarer, aber unregelmäßig anfallender Sonnen- oder Windelektrizität. Als Speichermedium mit einem großen wirtschaftlichen Nutzen kommt dabei dem Molekül Wasserstoff die größte Bedeutung zu. Es wird erzeugt durch Wasserspaltung mit Hilfe von elektrischem Strom, der Elektrolyse.

Sowohl der Prozess der Wasserspaltung in Wasserstoff (und Sauerstoff) als auch der umgekehrte Prozess der Erzeugung von Elektrizität aus beiden Gasen in Brennstoffzellen sind sehr langsame chemische Reaktionen. Sie benötigen daher eine große Menge an Edelmetallkatalysatoren, um die Reaktionen sehr stark zu beschleunigen. Das teure Platin wird dafür eingesetzt. Es macht die elektrochemische Energiespeicherung und -wandlung sehr kostspielig. Der Einsatz von leistungsfähigen, robusten und günstigen Katalysatorenmaterialien ist daher ein Schlüssel zum Durchbruch der Brennstoffzellentechnologie.

Forschern der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Peter Strasser an der TU Berlin zusammen mit Wissenschaftlern des Ernst Ruska-Centrums für Elektronenmikroskopie in Jülich ist nun ein Durchbruch gelungen.

Sie konnten Metallkatalysatoren in Form von kleinsten Partikeln für die Wandlung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser entwickeln, die so aktiv sind, dass die benötigte Menge an Edelmetall auf nur 10 Prozent des heute typischen Wertes abgesenkt werden konnte. Damit kann 90 Prozent des Platins eingespart werden.

Dass die Katalysatoren nanoskalig sein müssen, um Edelmetall zu sparen, genauer gesagt nur etwa ein zehntausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares messen dürfen, war dabei schon bekannt. Aber es kamen in der Vergangenheit immer runde Katalysatorpartikel zum Einsatz. Neu und faszinierend an der vorliegenden Studie, die jetzt im renommierten Journal Nature Materials veröffentlicht wurde, ist, dass auch die detaillierte geometrische Form der Partikel eine extrem große Rolle bei der Steuerung der Aktivität und der Lebensdauer der Metallkatalysatorpartikel spielt.

Dem Forscherteam gelange es, nanoskalige Legierungspartikel aus Platin und Nickel herzustellen, die annähernd die geometrische Form eines mathematisch perfekten Oktaeder besitzen. Dieses Objekt zeigt an seiner Oberfläche ausschließlich genau die geometrische Anordnung von Platin- und Nickel-Atomen, die die chemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser in einer energieumwandelnden Brennstoffzelle am effizientesten beschleunigt, also katalysiert. Ein rundes oder auch würfelförmiges Partikel würde andere atomare Anordnungen zeigen und daher die chemische Reaktion weniger effizient katalysieren und einen Mehreinsatz an Edelmetall nach sich ziehen. Mit Hilfe modernster Elektronenmikroskopie konnte das Forscherteam auch untersuchen, wie die Lebensdauer dieser Superkatalysatoren von ihrer Komposition abhängt und diese für die Brennstoffzelle optimieren. Entscheidend beim Verständnis der Lebensdauer war die Beobachtung, dass die Nickel- und Platinatome sich nicht gleichverteilt an der Oberfläche der Nanooktaeder platzieren. Nickel bevorzugt die Oberflächenplätze in der Mitte der Oktaederflächen, während das Platin die Kanten und Ecken bevorzugt. Diese ungewöhnliche, erstmalig beobachtete Verteilung der Atome ist zwar für die Reaktivität günstig, limitert aber die Lebensdauer der Energiematerialien, so das Forschungsteam.

Um mit atomarer Genauigkeit die Anordnung zu erkennen, nutzte es am Ernst Ruska-Centrum eine Methode, bei der ein besonders energiearmer Elektronenstrahl eines der weltweit höchstauflösenden Elektronenmikroskope fein gebündelt durch die Probe geschickt wird. Durch die Wechselwirkungen mit der Probe verliert es einen Teil seiner Energie. Jedes Element in der Probe kann damit wie mit einem Fingerabdruck identifiziert werden und sein Aufenthaltsort bestimmt werden. Herkömmliche Elektronenmikroskope können dies nicht mit dieser atomarer Auflösung erkennen.

Insgesamt liefert diese bahnbrechende experimentelle Arbeit den direkten Beweis, dass eine richtige Wahl der Geometrie des nanometer-kleinen Katalysatorpartikels für die Optimierung seiner Funktion ebenso wichtig ist wie die Wahl seiner Zusammensetzung und seiner Größe. Dies eröffnet den Forschern nun noch mehr Möglichkeiten, Funktionsmaterialien, insbesondere Katalysatoren für die Energiespeicherung immer weiter zu verbessern. Aktuellste Katalysearbeiten aus der Arbeitsgruppe um TU-Forscher Strasser, die eng mit Gruppen des Exzellenzclusters UNICAT zusammenarbeitet, deuten darauf hin, dass große Kosten- und Energieeffizienzsprünge auch für die Spaltungsreaktion von Wasser in Sauerstoff in Elektrolyseuren möglich sind, wo das noch weitaus teurere Edelmetall Iridium zum Einsatz kommt.

Originalveröffentlichung:
C. Cui, L. Gan, M. Heggen, S. Rudi, P. Strasser
Compositional segregation in shaped Pt alloy nanoparticles and their structural behavior during electrocatalysis Nature Materials, published: http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat3668.html

Bildmaterial finden Sie unter: www.tu-berlin.de/?id=135298
Bildunterschrift: Elektronenmikroskopische Aufnahme und atomistisches Modell (unten rechts) eines hochaktiven sauerstoffaktivierenden Platin-Nickel-Katalysatorteilchens. Sein Durchmesser ist ungefähr zehntausendmal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Rote Kugeln symbolisieren Platinatome, grüne Nickelatome. Eine Eigenschaft solcher Oktaeder ist, dass die meisten Oberflächenatome dieselbe geometrische Anordnung besitzen. Die Aufnahme ist am Elektronenmikroskop PICO am Ernst Ruska-Centrum entstanden. Bildquelle: Forschungszentrum Jülich/TU Berlin

Weitere Informationen erteilen Ihnen gern:
Prof. Dr. Peter Strasser, Technische Universität Berlin, Institut für Chemie, Tel.: 030 314-29542, E-Mail: pstrasser@tu-berlin.de

Dr. Marc Heggen, Forschungszentrum Jülich, Mikrostrukturforschung (PGI-5), Tel.: 02461 61-9479, E-Mail: m.heggen@fz-juelich.de

Stefanie Terp | idw
Weitere Informationen:
http://www.fz-juelich.de
http://www.tu-berlin.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Forscherin entwickelt elektronische Textilstruktur für Medizinprodukte
17.02.2017 | Hochschule Niederrhein - University of Applied Sciences

nachricht Untergrund beeinflusst Halbleiter-Monolagen
16.02.2017 | Philipps-Universität Marburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Im Focus: Innovative Antikörper für die Tumortherapie

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig von diesen teuren Medikamenten profitieren, wird intensiv an deren Verbesserung gearbeitet. Forschern um Prof. Thomas Valerius an der Christian Albrechts Universität Kiel gelang es nun, innovative Antikörper mit verbesserter Wirkung zu entwickeln.

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Event News

Booth and panel discussion – The Lindau Nobel Laureate Meetings at the AAAS 2017 Annual Meeting

13.02.2017 | Event News

Complex Loading versus Hidden Reserves

10.02.2017 | Event News

International Conference on Crystal Growth in Freiburg

09.02.2017 | Event News

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Latest News

From rocks in Colorado, evidence of a 'chaotic solar system'

23.02.2017 | Physics and Astronomy

'Quartz' crystals at the Earth's core power its magnetic field

23.02.2017 | Earth Sciences

Antimicrobial substances identified in Komodo dragon blood

23.02.2017 | Life Sciences