Sauerstoff und Wasserstoff, die in Brennstoffzellen von Autos oder kleinen Heimkraftwerken Strom erzeugen, tun das keineswegs freiwillig. Sie brauchen einen Schubser, um sich zu Wasser zu vereinen und nebenbei elektrische Energie freizusetzen. Dafür sind Katalysatoren zuständig, die wesentlich zu den hohen Kosten der sauberen Stromerzeuger beitragen, denn sie enthalten große Mengen an teuren Edelmetallen wie Platin.
Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich und der Technischen Universität Berlin haben nun einen neuartigen Reaktionsbeschleuniger, wie Katalysatoren anschaulich genannt werden, entwickelt, der mit 90 Prozent weniger Platin auskommt.
Fortschritt nur unterm Mikroskop sichtbarDie Aufgabe des Edelmetalls übernehmen in dem neuen Material zehn Nanometer kleine Partikel aus einer Nickel-Platin- oder Kobalt-Platin-Legierung – sie sind demnach zehntausend Mal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haars. Die Moleküle formieren sich zu einem Oktaeder, also zu einer Doppelpyramide, die mit den Grundflächen aneinander stoßen. Nur in dieser Form wirkt die Legierung als Katalysator, der Wasser- und Sauerstoff zur Reaktion zwingt.
Die Kosteneinsparung ist signifikant, wenn auch vorerst nicht bezifferbar, weil das neue Katalysatormaterial noch nicht industriell hergestellt werden kann. Außerdem sind die neuen Reaktionsbeschleuniger nicht lange haltbar. Das soll sich aber demnächst ändern.
Mit Hilfe ultrahochauflösender Elektronenmikroskopie konnten Jülicher Wissenschaftler nun erstmals zeigen, dass das kristalline Wachstum in unterschiedlichen Stufen verläuft. Damit besteht die Chance, den Katalysator gezielt aufzubauen und weiter zu verbessern.
„Aktivität und Stabilität der Partikel hängen entscheidend davon ab, wie die Elemente im Katalysatormaterial verteilt sind. Hierbei kann schon eine einzelne atomare Lage einen großen Unterschied bewirken“, sagt Marc Heggen vom Jülicher Ernst Ruska-Centrum, das extrem leistungsfähige Elektronenmikroskope betreibt.
Wasserstoffmobilität ist bisher zu teuerZuerst entsteht ein kugelförmiger Keim, um den sich im Laufe von einigen Stunden Platinatome kreuzförmig gruppieren. Weitaus länger dauert der zweite Produktionsschritt, bei dem sich Nickel- oder Kobaltatome in den Lücken festsetzen, die die Platinstruktur gelassen haben.
„Die Wahl der geometrischen Form der Katalysatorpartikel ist für die Optimierung ihrer Funktion ebenso wichtig wie die Wahl ihrer Zusammensetzung und ihrer Größe", sagt Peter Strasser, Chemieprofessor an der Technischen Universität Berlin. Nanopartikel könnten auch die Kosten für Katalysatoren in Elektrolyseuren senken, die Wasser in Sauer- und Wasserstoff spalten, glaubt Strasser. In diesem Fall gilt es, das Edelmetall Iridium teilweise zu ersetzen, dessen Preis um ein Drittel unter dem für Platin liegt.
Schafft es die Entwicklung der deutschen Forscher bis zur Marktreife wäre das ein entscheidender Fortschritt für Autos, die Wasserstoff als Treibstoff nutzen. Toyota hat kürzlich das erste in Serie gefertigte Brennstoffzellenauto präsentiert. Kostenpunkt in Deutschland: 79.000 Euro. Vor allem die Brennstoffzelle treibt den Preis in die Höhe; aber das könnte sich in Zukunft ändern.
