Journal Nature Materials: Geformter Superkatalysator für effiziente Brennstoffzellen

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