29.09.2020 - National Research Council of Science & Technology (NST)

Hochleistungs-Einatom-Katalysatoren für Hochtemperatur-Brennstoffzellen

Katalysatoren sind bei 700 Grad Celsius stabil und sollen die Kommerzialisierung von reversiblen Brennstoffzellen der nächsten Generation beschleunigen

Im Gegensatz zu Sekundärbatterien, die wieder aufgeladen werden müssen, sind Brennstoffzellen eine Art umweltfreundlicher Stromerzeugungssysteme, die Strom direkt aus elektrochemischen Reaktionen mit Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel erzeugen. Es gibt verschiedene Arten von Brennstoffzellen, die sich in Betriebstemperaturen und Elektrolytmaterialien unterscheiden. Unter ihnen findet die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC), die einen keramischen Elektrolyten verwendet, zunehmend Beachtung. Da sie bei hohen Temperaturen von rund 700 Grad Celsius arbeitet, bietet sie den höchsten Wirkungsgrad unter den verschiedenen Brennstoffzellen und kann auch zur Herstellung von Wasserstoff durch Wasserdampfzersetzung verwendet werden. Für die Kommerzialisierung dieser Technologie ist eine weitere Verbesserung der Zellleistung erforderlich, und neuartige Hochtemperatur-Katalysatormaterialien werden mit Spannung erwartet.

Katalysatoren auf Platin (Pt)-Basis zeigen eine solch hervorragende Leistung bei Brennstoffzellen-Elektrodenreaktionen. Insbesondere einatomige Pt-Katalysatoren werden aufgrund ihrer einzigartigen Funktionalität aktiv untersucht. Bei hohen Temperaturen sind die Pt-Atome jedoch nicht stabil und agglomerieren leicht. Daher wurden einatomige Pt-Katalysatoren nur in Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen verwendet, wie Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen, die für wasserstoffbetriebene Elektrofahrzeuge eingesetzt werden.

Unter diesen Umständen hat ein Forschungsteam einen Katalysator entwickelt, der nur eine geringe Menge Platin für die signifikante Verbesserung der Leistung benötigt und stabil bei hohen Temperaturen arbeiten kann. Das Korea Institute of Science and Technology (KIST) gab bekannt, dass Dr. Kyung-Joong Yoon und Forscher Ji-Su Shin vom Center for Energy Materials Research zusammen mit Professor Yun-Jung Lee von der Hanyang Universität (Hanyang Universität, Präsident Woo-Seung Kim) einen einatomigen Pt-Katalysator entwickelt haben, der für SOFCs verwendet werden kann.

Bei ihrer Forschung sind ganze Platinatome gleichmäßig verteilt und funktionieren auch bei hohen Temperaturen einzeln ohne Agglomeration. Es konnte experimentell gezeigt werden, dass die Reaktionsgeschwindigkeit der Elektroden um mehr als das 10-fache erhöht werden kann. Sie kann auch bei hohen Temperaturen von bis zu 700 Grad Celsius mehr als 500 Stunden lang betrieben werden und verbessert die Leistung bei der Erzeugung von Elektrizität und Wasserstoff um das 3-4-fache. Es wird erwartet, dass es die Kommerzialisierung von Festoxid-Brennstoffzellen (SOFCs), den umweltfreundlichen Brennstoffzellen der nächsten Generation, beschleunigen wird.

Der einatomige Katalysator, der gemeinsam vom Forschungsteam der KIST-Hanyang Universität entwickelt wurde, wird durch die Kombination von Platinatomen und Cer(Ce)-Oxid-Nanopartikeln hergestellt. Jedes Platinatom ist einzeln auf der Oberfläche der Ceriumoxid-Nanopartikel dispergiert, und die starke Bindung hält den dispergierten Zustand der Atome auch bei hohen Temperaturen über einen langen Zeitraum aufrecht, so dass alle Platinatome an der Reaktion beteiligt sind. Dies wiederum ermöglicht es, die Geschwindigkeit der Elektrodenreaktion wesentlich zu verbessern und gleichzeitig die Menge des verwendeten Platins zu minimieren.

Für die Herstellung wird eine Lösung, die Platin- und Cer-Ionen enthält, in die Elektrode der SOFC injiziert, und die Katalysatoren werden synthetisiert, während die Brennstoffzelle bei hoher Temperatur arbeitet. Da die Einspritzung in die Elektrode ohne spezielle Ausrüstung leicht durchgeführt werden kann, wird erwartet, dass der neu entwickelte Katalysator leicht auf bestehende Brennstoffzellen-Herstellungsverfahren angewendet werden kann.

Dr. Kyung-Joong Yoon vom KIST erklärte: "Der in dieser Studie entwickelte Katalysator kann in einem einfachen und kostengünstigen Verfahren auf eine Vielzahl von Festoxid-Brennstoffzellen und elektrochemische Hochtemperaturgeräte angewandt werden, so dass erwartet wird, dass er die Entwicklung umweltfreundlicher Stromerzeugungs- und Energiespeichergeräte der nächsten Generation beschleunigen wird. "Basierend auf der Tatsache, dass der einatomige Katalysator selbst bei 700 Grad Celsius oder höher stabil arbeiten kann, werden seine Anwendungsbereiche stark erweitert, einschließlich thermochemischer Hochtemperaturreaktionen und elektrochemischer Hochtemperaturreaktionen.

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