Hochleistungs-Einatom-Katalysatoren für Hochtemperatur-Brennstoffzellen

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Katalysator mit wenig Platin arbeitet bei 700° C stabil

Ein Forschungsergebnis des Korea Institute of Science and Technology (KIST): Im Gegensatz zu Sekundärbatterien, die wieder aufgeladen werden müssen, sind Brennstoffzellen eine Art umweltfreundliches Stromerzeugungssystem, das Strom direkt aus elektrochemischen Reaktionen mit Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel erzeugt. Es gibt verschiedene Arten von Brennstoffzellen, die sich in Betriebstemperaturen und Elektrolytmaterialien unterscheiden. Festoxid-Brennstoffzellen (SOFCs), die einen keramischen Elektrolyten verwenden, finden zunehmend Beachtung. Da sie bei hohen Temperaturen um 700 Grad Celsius arbeiten, bieten sie den höchsten Wirkungsgrad unter den Brennstoffzellentypen und können auch zur Erzeugung von Wasserstoff durch Wasserdampfzersetzung verwendet werden. Für die Kommerzialisierung dieser Technologie ist eine weitere Verbesserung der Zellleistung erforderlich, und neuartige Hochtemperatur-Katalysatormaterialien werden mit Spannung erwartet.

Katalysatoren auf Platin (Pt)-Basis zeigen eine ausgezeichnete Leistung bei Brennstoffzellen-Elektrodenreaktionen. Einatomige Pt-Katalysatoren auf Pt-Basis sind aufgrund ihrer einzigartigen Funktionalität interessant. Bei hohen Temperaturen sind die Pt-Atome jedoch nicht stabil und agglomerieren leicht. Daher wurden einatomige Pt-Katalysatoren nur in Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen verwendet, wie Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen, die für wasserstoffbetriebene Elektrofahrzeuge eingesetzt werden.

Ein Forschungsteam hat nun einen Katalysator entwickelt, der nur eine geringe Menge Platin für eine deutliche Leistungsverbesserung benötigt und bei hohen Temperaturen stabil arbeiten kann. Kyung-Joong Yoon und Forscher Ji-Su Shin vom Zentrum für Energie-Materialforschung haben zusammen mit Professor Yun Jung Lee von der Hanyang Universität einen einatomigen Pt-Katalysator entwickelt, der für SOFCs verwendet werden kann.

Bei ihren Forschungen werden ganze Platinatome gleichmäßig verteilt und funktionieren auch bei hohen Temperaturen einzeln ohne Agglomeration. Es konnte experimentell gezeigt werden, dass die Reaktionsgeschwindigkeit der Elektrode um mehr als das 10-fache erhöht werden kann. Sie kann auch bei hohen Temperaturen bis zu 700 Grad Celsius mehr als 500 Stunden lang betrieben werden und verbessert die Leistung der Stromerzeugung und Wasserstoffproduktion um das Drei- bis Vierfache. Es wird erwartet, dass es die Kommerzialisierung von Festoxid-Brennstoffzellen (SOFCs), der nächsten Generation umweltfreundlicher Brennstoffzellen, beschleunigen wird.

Das Forschungsteam der KIST-Hanyang Universität stellte den Einzelatom-Katalysator durch die Kombination von Platinatomen und Cer(Ce)-Oxid-Nanopartikeln her. Jedes Platinatom ist einzeln auf der Oberfläche der Ceriumoxid-Nanopartikel dispergiert, und die starke Bindung hält den dispergierten Zustand der Atome auch bei hohen Temperaturen über einen langen Zeitraum aufrecht, so dass alle Platinatome an der Reaktion beteiligt sind. Dies wiederum ermöglicht es, die Geschwindigkeit der Elektrodenreaktion wesentlich zu verbessern und gleichzeitig die Menge des verwendeten Platins zu minimieren.

Für die Herstellung wird eine Lösung, die Platin- und Cer-Ionen enthält, in die Elektrode der SOFC injiziert, und die Katalysatoren werden synthetisiert, während die Brennstoffzelle bei hoher Temperatur arbeitet. Da die Einspritzung in die Elektrode ohne spezielle Ausrüstung einfach durchgeführt werden kann, kann der neu entwickelte Katalysator leicht in bestehende Brennstoffzellen-Herstellungsprozesse integriert werden.

Dr. Kyung-Joong Yoon vom KIST sagte: „Der in dieser Studie entwickelte Katalysator kann in einem einfachen und kostengünstigen Verfahren auf eine Vielzahl von Festoxid-Brennstoffzellen und elektrochemischen Hochtemperaturgeräten angewandt werden, so dass erwartet wird, dass er die Entwicklung umweltfreundlicher Stromerzeugungs- und Energiespeichergeräte der nächsten Generation beschleunigen wird. Basierend auf der Tatsache, dass der einatomige Katalysator selbst bei 700 Grad Celsius oder höher stabil arbeiten kann, werden seine Anwendungsbereiche stark erweitert, einschließlich thermochemischer Hochtemperaturreaktionen und elektrochemischer Hochtemperaturreaktionen“.

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