Forscher*innen aus Dänemark, Deutschland und der Schweiz ist es gelungen, durch ein spezielles Verfahren einen Elektrokatalysator ohne Kohlenstoffträger herzustellen. Er besteht aus einem dünnen Metallnetz und ist dadurch deutlich stabiler und langlebiger, wie im Fachjournal Nature Materials berichtet wird. „Der von uns entwickelte Katalysator erreicht eine große Leistungsfähigkeit und verspricht einen stabilen Brennstoffzellenbetrieb auch bei höherer Temperatur und hoher Stromdichte“, berichtet Professor Matthias Arenz vom Departement für Chemie und Biochemie (DCB) der Universität Bern.
Um effizient zu funktionieren, benötigen Brennstoffzellen einen Elektrokatalysator, der die elektrochemische Reaktion, die den Strom erzeugt, verbessert. Damit der Katalysator in der Brennstoffzelle eingesetzt werden kann, muss er über eine Oberfläche mit sehr kleinen Platin-Kobalt-Partikeln im Nanometer-Bereich verfügen, die auf ein leitfähiges Trägermaterial aus Kohlenstoff aufgetragen wird. Diese Partikel sowie der Kohlenstoff sind Korrosion ausgesetzt, wodurch die Zelle mit der Zeit an Effizienz und Stabilität verliert. „Unsere Motivation war es daher, einen Elektrokatalysator ohne Kohlenstoffträger herzustellen, der dennoch leistungsfähig ist“, sagt Arenz. Es gab zwar bisher schon ähnliche Katalysatoren, keiner von ihnen war jedoch für den industriellen Einsatz geeignet. Dies soll sich nun ändern.
Für den neuen Elektrokatalysator kam die Methode der Kathodenzerstäubung („Sputtern“) zum Einsatz. Dabei werden einzelne Atome eines Materials hier konkret Platin bzw. Kobalt durch Beschuss mit Ionen herausgelöst. Diese Atome kondensieren in der Folge als haftende Schicht. „Mit dem speziellen Sputterverfahren und anschließender Behandlung kann eine sehr poröse Struktur erreicht werden, die dem Katalysator eine große Oberfläche gibt und gleichzeitig selbsttragend ist. Ein Kohlenstoffträger ist somit überflüssig“, erklärt Dr. Gustav Sievers, Studien-Erstautor vom Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie. An der Studie waren neben dem DCB unter anderen auch die Universität Kopenhagen und das Leibniz-Institut in Greifswald beteiligt. Außerdem kam die Infrastruktur der Swiss Light Source (SLS) am Paul Scherrer Institut (Kanton Aargau) zum Einsatz.
Mit diesem Verfahren kann die Wasserstoff-Brennzelle weiter für die Verwendung im Straßenverkehr optimiert werden. Durch die industrielle Skalierbarkeit kann man damit auch größere Produktionsvolumen bewältigen. „Unsere Erkenntnisse sind somit von Bedeutung für die Weiterentwicklung von nachhaltiger Energienutzung, insbesondere angesichts der aktuellen Entwicklungen im Mobilitätssektor für den Schwerverkehr“, betont Arenz.
Die Studie wurde unter anderem durch den Schweizerischen Nationalfonds (SNF), das Deutsche Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und das Danish National Research Foundation Center für High-Entropy Alloy Catalysis finanziert.