Neuer Eisenkatalysator könnte Durchbruch bedeuten
Seit Jahrzehnten sind Wissenschaftler auf der Suche nach einem Katalysator, der die Kosten für die Herstellung von Wasserstoffbrennstoffzellen drastisch senkt. Eine aktuelle Untersuchung zeigt, dass ein kostengünstiger Eisenkatalysator eine brauchbare Alternative zu Platin sein kann; das teure Edelmetall bremst die Kommerzialisierung des umweltfreundlichen Brennstoffs seit Jahrzehnten. „Wir haben jahrelang an diesem Projekt gearbeitet. Wir glauben, dass dies ein bedeutender Durchbruch ist, der letztendlich dazu beitragen wird, das enorme Potenzial von Wasserstoffbrennstoffzellen freizusetzen“, sagt Gang Wu, Professor für Chemie- und Bioingenieurwesen an der School of Engineering and Applied Sciences der University von Buffalo.
Synthetische Kraftstoffe: Zapfhähne für OME, H2 und Solarstrom – Bild © PPP Schlögl, MPI CEC
Ein solcher Fortschritt könnte zu einer grünen Energierevolution führen, bei der alles von Laptops bis zu Lokomotiven mit einem Brennstoff betrieben wird, dessen einziges Nebenprodukt Wasser ist. Neue Forschungsarbeiten unter der Leitung der University at Buffalo deuten darauf hin, dass die Wissenschaftler diesem Ziel näher kommen: In einer am 07.07.2022 in Nature Energy veröffentlichten Studie beschreiben die Wissenschaftler, wie Eisen mit Stickstoff und Kohlenstoff kombiniert werden kann, um einen Katalysator herzustellen, der effizient, langlebig und kostengünstig ist – die drei Hauptziele, die das US-Energieministerium (DOE) für die Brennstoffzellenforschung festgelegt hat. „Dies war ein jahrelanger Prozess“, sagt Hauptautor Gang Wu: „Wir glauben, dass dies ein bedeutender Durchbruch ist, der letztendlich dazu beitragen wird, das enorme Potenzial von Wasserstoff-Brennstoffzellen freizusetzen.“
Das Versprechen von Brennstoffzellen
Laut DOE funktionieren Brennstoffzellen wie Batterien, aber sie verbrauchen keine Energie und müssen nicht aufgeladen werden. Sie erzeugen Strom und Wärme, solange Brennstoff – wie Wasserstoff – zugeführt wird. Sie haben Wissenschaftler, Umweltschützer und andere seit langem fasziniert, weil sie im Vergleich zu Verbrennungsmotoren weniger oder gar keine Emissionen haben. Außerdem können sie in einem breiten Spektrum von Anwendungen eingesetzt werden und Strom für Fahrzeuge, Kraftwerke, Gebäude und andere Systeme liefern. Brennstoffzellen sind jedoch noch nicht weit verbreitet, weil sie unter anderem teure Katalysatoren benötigen, die wichtige Brennstoffzellenreaktionen beschleunigen. Die besten Katalysatoren sind eine Familie von sechs Edelmetallen, die als Platingruppenmetalle bekannt sind. Diese Metalle sind zwar effizient und langlebig, aber unglaublich teuer, weil sie extrem selten sind. Daher suchen die Wissenschaftler nach kostengünstigeren Alternativen.
Hindernisse überwinden
Eine solche Alternative sind Katalysatoren auf Eisenbasis. Eisen ist attraktiv, weil es reichlich vorhanden und preiswert ist. Es ist jedoch nicht so leistungsfähig wie Platin, vor allem, weil es nicht die nötige Haltbarkeit aufweist, um der stark korrosiven und oxidativen Umgebung in Brennstoffzellen standzuhalten. Um dieses Hindernis zu überwinden, verband das Forscherteam vier Stickstoffatome mit dem Eisen. Anschließend betteten die Forscher das Material in einige Graphenschichten ein, „mit genauer atomarer Kontrolle der lokalen geometrischen und chemischen Strukturen“, so Wu. Die so entstandene Struktur ist ein erheblich verbesserter Katalysator. So berichtet das Forscherteam über den Katalysator: Er gilt als der effizienteste bisher hergestellte Katalysator auf Eisenbasis und übertrifft das DOE-Ziel für die elektrische Stromdichte im Jahr 2025. Er hat eine Haltbarkeit erreicht, die der von Katalysatoren der Platingruppe nahe kommt.
„All dies“, so Wu, „deutet auf das Potenzial des eisenbasierten Katalysators hin, Brennstoffzellen, insbesondere Wasserstoffbrennstoffzellen, für den kommerziellen Einsatz wesentlich erschwinglicher zu machen. Die Forscher planen Folgestudien, um den Katalysator weiter zu verbessern.“
Neben der UB gehörten dem kollaborativen Forschungsteam Mitglieder der folgenden Organisationen an: Argonne National Laboratory; Carnegie Mellon University; Giner Inc.; Indiana University-Purdue University Indianapolis; Oak Ridge National Laboratory; Oregon State University; Purdue University; und die University of Pittsburgh. Die Studie wurde vom US-Energieministerium und der U.S. National Science Foundation unterstützt. UB und Giner haben gemeinsame Patentanmeldungen eingereicht, in denen Wu und zwei Miterfinder genannt werden
->Quellen:
- buffalo.edu/news-center-releases/2022/07/006.detail
- Shengwen Liu, Chenzhao Li, Michael J. Zachman, Yachao Zeng, Haoran Yu, Boyang Li, Maoyu Wang, Jonathan Braaten, Jiawei Liu, Harry M. Meyer III, Marcos Lucero, A. Jeremy Kropf, E. Ercan Alp, Qing Gong, Qiurong Shi, Zhenxing Feng, Hui Xu, Guofeng Wang, Deborah J. Myers, Jian Xie, David A. Cullen, Shawn Litster & Gang Wu: Atomically dispersed iron sites with a nitrogen–carbon coating as highly active and durable oxygen reduction catalysts for fuel cells, in: Nature Energy (2022) – nature.com/articles/s41560-022-01062-1