// SCINEXX — SPAZIO & SCIENZA
Stickstoffhaltige Graphenhülle macht Platin in Brennstoffzellen haltbarer
Platinpartikel verlieren in Wasserstoff-Brennstoffzellen mit der Zeit ihre Wirksamkeit. Ein neuer Katalysator kombiniert eine stickstoffhaltige Graphen-Hülle mit stabilen Kohlenstoff-Nanoröhrchen und behielt nach 30.000 beschleunigten Belastungszyklen 96,9 Prozent seiner aktiven Oberfläche. Ein handelsüblicher Vergleichskatalysator verlor bei derselben Prüfung laut Hochschulmitteilung 56 Prozent. Ob sich diese Haltbarkeit im langfristigen Alltagseinsatz bestätigt, ist noch offen.
Nagoya (Japan). Wasserstoff-Brennstoffzellen erzeugen aus Wasserstoff und Luftsauerstoff elektrischen Strom. Eine zentrale Reaktion findet an der Sauerstoffelektrode statt, wo ein Platinkatalysator die Bildung von Wasser beschleunigt. Weil Platin teuer ist, sollen möglichst kleine Mengen davon eine große aktive Oberfläche bereitstellen.
Doch im Dauerbetrieb verändern sich die winzigen Metallpartikel. Sie können sich auflösen, wandern oder zu größeren Teilchen zusammenlagern, wodurch die nutzbare Oberfläche schrumpft. Auch der Kohlenstoff, auf dem das Platin verteilt ist, kann bei hohen elektrischen Spannungen korrodieren. Beide Vorgänge beeinträchtigen die Leistung und begrenzen die Haltbarkeit von Brennstoffzellen.
Forscher der Nagoya University (NU) um Prof. Masaya Kawasumi haben nun einen Katalysator entwickelt, der diese beiden Schwachstellen zugleich angehen soll. Dafür umhüllten sie Platin-Nanopartikel mit wenigen Lagen stickstoffhaltigen Graphens, einer besonderen Form von Kohlenstoff. Als Träger verwendeten sie einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die widerstandsfähiger gegen Korrosion sind als übliche Kohlenstoffträger.
„Die Haltbarkeit ist ein entscheidendes Problem, besonders beim Einsatz in schweren Nutzfahrzeugen“, erklärt Miftakhul Huda von der Nagoya University.
Eine einfache Kohlenstoffhülle würde das Platin zwar schützen, könnte zugleich aber den Zugang der Reaktionspartner erschweren. Der eingebaute Stickstoff verändert die Wechselwirkung zwischen der Hülle und dem Edelmetall. Nach den spektroskopischen Analysen des Teams verschiebt sich dadurch der elektronische Zustand des Platins, was die Sauerstoffreduktion begünstigt. Die Hülle soll die Partikel somit schützen, ohne die notwendige Reaktion auszubremsen.
In einem Versuch an einer rotierenden Elektrode erreichte das neue Material 96,3 Quadratmeter elektrochemisch aktive Platinoberfläche pro Gramm Platin. Bei einem handelsüblichen Platin-Kohlenstoff-Katalysator waren es nach Angaben der Forscher 60,6 Quadratmeter. Auch die auf die Platinmasse bezogene katalytische Aktivität übertraf die des Vergleichsmaterials. Die Messungen zeigen, dass die Schutzhülle die Reaktion nicht grundsätzlich behindert.
Anschließend bauten die Wissenschaftler den Katalysator in eine Membran-Elektroden-Einheit ein, wie sie im Inneren einer Brennstoffzelle arbeitet. Durch wiederholte Spannungswechsel beschleunigten sie die Alterung. Nach 30.000 Testzyklen waren noch 96,9 Prozent der anfänglichen aktiven Platinoberfläche vorhanden, was einem Verlust von lediglich 3,1 Prozent entspricht. Der handelsübliche Vergleichskatalysator büßte laut einer zugehörigen Hochschulgrafik 56 Prozent ein.
Bei einer Stromdichte von 0,8 Ampere pro Quadratzentimeter sank die Zellspannung im Test um 22,8 Millivolt. Ein weiterer, besonders belastender Versuch simulierte die hohen Spannungen beim Starten und Abschalten von Brennstoffzellen. Nach 5.000 Zyklen war die aktive Oberfläche zwar um 27,2 Prozent geschrumpft, bei 1,5 Ampere pro Quadratzentimeter registrierte das Team aber keinen Spannungsverlust. Laut der Studie wurden damit beide für 2025 festgelegten Haltbarkeitsziele des US-Energieministeriums übertroffen.
„In dieser Arbeit haben wir sowohl die Haltbarkeit des Platins als auch die seines Kohlenstoffträgers in Brennstoffzellen erhöht“, sagt Miftakhul Huda.