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Brennstoffzellen ohne Platin zeigen hohe Effizienz, geringe Kosten

Als eine der Hoffnungsträger im Kampf gegen den Klimawandel gelten umweltfreundliche Brennstoffzellen, indem sie Strom aus Wasserstoff mit Hilfe von Sauerstoff aus der Luft erzeugen. Anstelle von Abgasen entsteht Wasser – der erforderliche Wasserstoff kann nachhaltig beispielsweise mit Sonnenenergie erzeugt werden.

Hergestellt und charakterisiert in Bremen: Polyoxometallat mit der eindrucksvollen Summenformel [H7P8W48O184]33-, kurz P8W48, macht den Unterschied. Als Katalysator in Brennstoffzellen übertrifft. | Grafik: Jacobs University

Hergestellt und charakterisiert in Bremen: Polyoxometallat mit der eindrucksvollen Summenformel [H7P8W48O184]33-, kurz P8W48, macht den Unterschied. Als Katalysator in Brennstoffzellen übertrifft. | Grafik: Jacobs University

Aber wie sollte es auch anders sein – die Sache hat einen Haken: hohe Kosten. Bislang ist die Stromerzeugung mit Brennstoffzellen sehr teuer, da sie teure Edelmetalle wie Platin als Katalysator brauchen. Nun scheint sich eine Alternative aufzutun. Eine internationale Forschergruppe unter Beteiligung der Jacobs University aus Bremen hat einen Katalysator für Brennstoffzellen entwickelt, der ganz ohne Platin auskommt und trotzdem äußerst effizient arbeitet.

Es ist die Verbindung zweier nobelpreisträchtiger Materialien, die die Forscher um Ulrich Kortz und Ali Haider von der Jacobs University, Guangjin Zhang von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking sowie Naresh Dalal von der Florida State University in Tallahassee nun der Öffentlichkeit präsentieren. Zunächst wäre da das Graphen. Es besteht aus nur einer Lage wabenförmig angeordneter Kohlenstoffatome und ist ein wahres Wundermaterial. Graphen ist reißfester als Stahl und zugleich superleicht, biegsam und durchsichtig. Außerdem leitet es hervorragend Strom. Sind einige Sauerstoffverbindungen an das Graphen gebunden, spricht man von Graphenoxid (kurz GO). Solches Graphenoxid, das leichter zu verarbeiten ist als reines Graphen, stellten die Forscher her. Auf eine dünne Graphenoxid-Schicht trugen sie dann ein so genanntes Polyoxometallat (kurz POM) auf, das Kortz zuvor mit seinem Mitarbeiter Ali Haider in Bremen hergestellt hatte. Dieses POM übernahm die Funktion des Platins als Katalysator.

„Es ist schon länger bekannt, dass dieses Polyoxometallat mit der verkürzten Summenformel P8W48 an positiv geladene Teilchen oder Oberflächen andocken kann und dabei sehr stabil ist. So kamen wir in Bremen auf die Idee, es als Katalysator zu nutzen“, erklärt Kortz. „Es war ein Volltreffer! Die Effizienz unseres Katalysators war sogar noch höher als die eines Platinkatalysators. Und er funktionierte auch noch nach tausend Versuchen.“

„Das ist ein hochspannendes Ergebnis“, so Kortz weiter. „Bei Brennstoffzellen sind die Kosten ein ganz wichtiger Faktor. Wir haben nun ein hocheffizientes System entwickelt, das um ein Vielfaches billiger ist als Platin.“

Ulrich Kortz von der Jacobs University und einige Mitglieder des Forscherteams, mit denen die aktuelle Veröffentlichung entstanden ist. | Foto: Jacobs University

Ulrich Kortz von der Jacobs University und einige Mitglieder des Forscherteams, mit denen die aktuelle Veröffentlichung entstanden ist. | Foto: Jacobs University

Zusätzlich konnten das Forscherteam um Kortz und Zhang zusammen mit Li-Kai Yan von der Northeast Normal University in Changchun, China, das System auch theoretisch beschreiben. Zudem zeigen sie anhand von Bildern, dass das POM tatsächlich auf der Oberfläche des Graphenoxids liegt und ausschlaggebend für die effiziente Reaktion ist. „Unser Projekt ist ein Paradebeispiel für eine erfolgreiche internationale Zusammenarbeit“, betont Kortz. Beteiligt sind Mitarbeiter aus vier Arbeitsgruppen aus Asien, Amerika und Europa und aus so verschiedenen Bereichen wie der anorganischen Chemie, der Elektrochemie und der theoretischen Chemie.
Die Chancen, dass der neue Katalysator die Brennstoffzellen der Zukunft beeinflusst, stehen nicht schlecht. “Im Idealfall kommt es am Ende zu einer industriellen Anwendung“, so Kortz. „Nun gilt es, mit den richtigen Partnern aus der Industrie zu verhandeln. Brennstoffzellen sind ein wichtiges Thema der Gegenwart und der Zukunft. Die Möglichkeiten eines so effizienten und gleichzeitig kostengünstigen Systems sind da sicher mannigfaltig.”

Publikation
Rongji Liu, Guangjin Zhang, Hongbin Cao, Suojiang Zhang, Yongbing Xie, Ali Haider, Ulrich Kortz, Banghao Chen, Naresh S. Dalal, Yongsheng Zhao, Linjie Zhi, Cai-Xia Wu, Li-Kai Yan, Zhongmin Su, Bineta Keita.
Enhanced proton and electron reservoir abilities of polyoxometalate grafted on graphene for high-performance hydrogen evolution.
Energy & Environmental Science, 2016.
DOI: 10.1039/c5ee03503a.
Kontakt
Prof. Dr. Ulrich Kortz
Department of Life Sciences and Chemistry
Jacobs University Bremen