24.07.2020 - Queen Mary, University of London

Neues Material für langlebigere Brennstoffzellen

Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass Graphen verwendet werden könnte, um haltbarere Wasserstoff-Brennstoffzellen für Autos herzustellen

In der Studie, die in der Zeitschrift Nanoscale veröffentlicht wurde, stellten Wissenschaftler Graphen mit einer speziellen, skalierbaren Technik her und verwendeten es zur Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellen-Katalysatoren. Das Forschungsteam, an dem Wissenschaftler der Queen Mary University of London und des University College London (UCL) beteiligt waren, zeigte, dass diese neue Art von Katalysatoren auf Graphenbasis haltbarer war als kommerziell erhältliche Katalysatoren und deren Leistung entsprach.

Wasserstoff-Brennstoffzellen wandeln chemische Energie in elektrische Energie um, indem sie mit Hilfe von Katalysatoren Wasserstoff und Sauerstoff kombinieren. Da das einzige Nebenprodukt der Reaktion Wasser ist, stellen sie eine effiziente und umweltfreundliche Energiequelle dar.

Platin ist der am weitesten verbreitete Katalysator für diese Brennstoffzellen, aber seine hohen Kosten sind ein großes Problem für die Kommerzialisierung von Wasserstoff-Brennstoffzellen. Um dieses Problem zu lösen, werden kommerzielle Katalysatoren typischerweise hergestellt, indem winzige Nanopartikel aus Platin auf einen billigeren Kohlenstoffträger dekoriert werden, jedoch reduziert die schlechte Haltbarkeit des Materials die Lebensdauer der derzeitigen Brennstoffzellen erheblich.

Frühere Forschungen haben gezeigt, dass Graphen aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit, seiner großen Oberfläche und seiner hohen Leitfähigkeit ein ideales Trägermaterial für Brennstoffzellen sein könnte. Das bisher in der Mehrzahl der Experimente verwendete Graphen enthält jedoch viele Defekte, so dass die vorhergesagte verbesserte Beständigkeit noch nicht erreicht wurde.

Die in der Studie beschriebene Technik erzeugt in einer Eintopf-Synthese hochwertiges, mit Platin-Nanopartikeln dekoriertes Graphen. Dieses Verfahren könnte für die Massenproduktion hochskaliert werden, was die Verwendung von Katalysatoren auf Graphenbasis für weit verbreitete Energieanwendungen eröffnen würde.

Professor Dan Brett, Professor für Elektrochemische Verfahrenstechnik an der UCL, sagte: "Die Befriedigung des globalen Energiebedarfs ohne Schädigung der Umwelt ist eine der großen Herausforderungen der heutigen Zeit. Wasserstoff-Brennstoffzellen können sauberere Energie liefern und werden bereits in einigen Autos als Alternative zu Benzin oder Diesel eingesetzt. Ein großes Hindernis für ihre weit verbreitete Kommerzialisierung ist jedoch die Fähigkeit der Katalysatoren, den für ihre Verwendung in Energieanwendungen erforderlichen umfangreichen Zyklen standzuhalten. Wir haben gezeigt, dass wir durch die Verwendung von Graphen anstelle des typischen amorphen Kohlenstoffs als Trägermaterial extrem haltbare Katalysatoren herstellen können".

Die Forscher bestätigten die Haltbarkeit des Katalysators auf Graphenbasis mit Hilfe einer Art von Tests, die auf den vom US-Energieministerium (DoE) empfohlenen Tests basieren, die als beschleunigte Belastungstests bekannt sind. Beschleunigte Belastungstests belasten den Katalysator bewusst schnell über viele Zyklen in kurzer Zeit und ermöglichen es den Wissenschaftlern, die Stabilität neuer Materialien zu beurteilen, ohne sie über Monate oder Jahre in einer betriebsbereiten Brennstoffzelle einsetzen zu müssen.

Anhand dieser Tests wiesen die Wissenschaftler nach, dass der Aktivitätsverlust des neu entwickelten Katalysators auf Graphenbasis im Vergleich zu kommerziellen Katalysatoren über denselben Testzeitraum um etwa 30 Prozent geringer war.

Gyen Ming Angel, Doktorand und Hauptautor der Studie, vom UCL, sagte: "Das DoE legt Tests und Ziele für die Brennstoffzellen-Haltbarkeit fest, mit einem beschleunigten Belastungstest zur Simulation normaler Betriebsbedingungen und einem Test zur Simulation der hohen Spannungen, die beim Anfahren und Abschalten der Brennstoffzelle auftreten. Die meisten Forschungsstudien im Graphenraum bewerten nur mit einem der empfohlenen Tests. Da wir jedoch hochwertiges Graphen in unserem Material haben, ist es uns gelungen, sowohl in Tests als auch unter langen Testzeiten eine hohe Haltbarkeit zu erreichen, was für die zukünftige Kommerzialisierung dieser Materialien wichtig ist. Wir freuen uns darauf, unseren neuen Katalysator in die kommerzielle Technologie zu integrieren und die Vorteile von Brennstoffzellen mit längerer Lebensdauer zu realisieren".

Graphen wird aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen hergestellt, die in einem hexagonalen Gitter angeordnet sind. Trotz seiner relativ einfachen Struktur werden dem Graphen bemerkenswerte Eigenschaften zugeschrieben, darunter hohe elektrische Leitfähigkeit, hohe Transparenz und hohe Flexibilität.

Dr. Patrick Cullen, Dozent für Erneuerbare Energien an der Queen Mary University of London, sagte: "Im Laufe der Jahre gab es einen großen Hype um Graphen und die große Zahl vielversprechender Anwendungen für dieses Material. Die Forschungsgemeinschaft wartet jedoch immer noch darauf, dass sein volles Potenzial ausgeschöpft wird, und dies hat zu einer gewissen Negativität in Bezug auf dieses vorgeschlagene 'Wundermaterial' geführt. Diese Ansicht wird durch die Tatsache, dass viele Forschungsstudien über Graphen fehlerhafte Versionen von Graphen verwenden, nicht gerade erleichtert. Wir hoffen, dass dieses Papier das Vertrauen in Graphen wiederherstellen und zeigen kann, dass dieses Material ein grosses Potenzial für die Verbesserung von Technologien, wie Brennstoffzellen, jetzt und in der Zukunft birgt".

  • Gyen Ming A. Angel, Noramalina Mansor, Rhodri Jervis, Zahra Rana, Chris Gibbs, Andrew Seel, Alexander F.R. Kilpatrick, Paul R. Shearing, Christopher A. Howard, Dan J. L. Brett and Patrick L. Cullen; "Realising the electrochemical stability of graphene: scalable synthesis of ultra-durable platinum catalyst for the oxygen reduction reaction"; Nanoscale

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