Optimal große Platinpartikel Aktivität von Brennstoffzellen-Katalysatoren verdoppelt

Die Erstautoren der Forschungskooperation im Catalysis Research Center (CRC) der Technischen Universität München (TUM): Dr. Batyr Garlyyev (Physik), Kathrin Kratzl, M.Sc. (Chemie), Marlon Rück, M.Sc. (Elektrotechnik) (v.l.n.r.)
Die Erstautoren der Forschungskooperation im Catalysis Research Center (CRC) der Technischen Universität München (TUM): Dr. Batyr Garlyyev (Physik), Kathrin Kratzl, M.Sc. (Chemie), Marlon Rück, M.Sc. (Elektrotechnik) (v.l.n.r.)

Neue Brennstoffzellen-Katalysatoren mit optimal großen Platin-Nano-Partikeln sind doppelt so gut, wie die derzeit besten kommerziell verfügbaren Typen.

Brennstoffzellen benötigen Platin als Katalysator, denn auf den Elektroden spielt Platin für die Sauerstoff-Reduktions-Reaktion eine zentrale Rolle. Leider ist es selten und extrem teuer. Es kommt also darauf an, möglichst wenig davon zu verwenden, um Brennstoffzellen zu einem wirtschaftlich sinnvollen Preis anbieten zu können.

Wie klein kann ein Häuflein Platin-Atome werden, um noch katalytisch hochaktiv sein zu können? Diese Frage stellte sich deshalb ein Forschungsteam der TU München um Roland Fischer, Professor für Anorganische und Metallorganische Chemie, Aliaksandr Bandarenka, Professor für Physik der Energiewandlung und -speicherung und Alessio Gagliardi, Professor für Simulation von Nanosystemen zur Energieumwandlung.

Um die Frage zu beantworten, modellierten sie das Gesamtsystem am Computer. »Es zeigte sich, dass es bestimmte optimale Platin-Haufengrößen geben könnte«, erklärt Roland Fischer. Ideal sind Partikel, die ungefähr 1 nm groß sind und rund 40 Platinatome enthalten. »Platinkatalysatoren dieser Größe haben ein kleines Volumen, aber eine große Zahl an stark aktiven Stellen, was zu einer hohen Massenaktivität führt«, sagt Bandarenka.

Interdisziplinäre Zusammenarbeit

Einen wichtigen Anteil am Erfolg der Forschenden hat die interdisziplinäre Zusammenarbeit am Zentrum für Katalyseforschung (CRC). Theoretische Fähigkeiten bei der Modellierung, gemeinsame Diskussionen sowie physikalisches und chemisches Wissen aus Experimenten führen letztlich zu einem Modell, wie sich Katalysatoren idealerweise in Form, Größe und Größenverteilung der beteiligten Komponenten designen lassen.

Zudem gibt es am CRC das Knowhow, um die berechneten Platin-Nanokatalysatoren auch herzustellen und experimentell zu testen. »Dahinter steckt viel anorganische Synthesekunst«, sagt Kathrin Kratzl, neben Batyr Garlyyev und Marlon Rück, eine der drei Erstautoren der Studie.

Doppelt so gut wie der beste handelsübliche Katalysator

Das Experiment bestätigte die theoretischen Vorhersagen exakt. »Unser Katalysator ist doppelt so gut wie der beste handelsübliche Katalysator«, sagt Garlyyev. Noch reiche das nicht für kommerzielle Anwendungen aus. Eine Reduzierung der Platinmenge um jetzt 50 Prozent sei zwar schon beeindruckend, aber eine weitere Reduzierung um 80 Prozent sei erforderlich, um beispielsweise Brennstoffzellen in großer Zahl in Autos zu bringen. Nicht einmal in erster Linie wegen des Preises, sondern weil Platin in so großen Mengen gar nicht zur Verfügung stünde.

Neben sphärischen Nanopartikeln erhoffen sich die Forschenden von weitaus komplexeren Formen eine höhere katalytische Aktivität. Genau für solche Modellierungen sind die jetzt etablierten Rechenmodelle ideal. »Allerdings erfordern komplexere Formen noch komplexere Synthesemethoden«, sagt Bandarenka. Gemeinsame rechnerische und experimentelle Studien werden dabei in Zukunft immer wichtiger.