04.04.2022 - University of Illinois at Chicago

Scavenger-Nanopartikel könnten Brennstoffzellenautos Wirklichkeit werden lassen

Neues Material verhindert die Zersetzung kostengünstiger Katalysatoren

Ingenieure der University of Illinois Chicago gehören zu einem Team, das in Zusammenarbeit ein Material entwickelt hat, das Brennstoffzellensystemen einen Wettbewerbsvorteil gegenüber den Batteriesystemen verschaffen könnte, die derzeit die meisten Elektrofahrzeuge antreiben.

Im Gegensatz zu Lithiumbatterien beruht die Brennstoffzellentechnologie auf katalysatorgesteuerten chemischen Reaktionen zur Energieerzeugung. Lithiumbatterien können in der Regel eine Reichweite von 100 bis 300 Meilen mit einer Ladung erzielen, sind aber auch anfällig für die hohen Kosten der Kathodenmaterialien und der Herstellung und benötigen mehrere Stunden zum Aufladen. Alternativ dazu nutzen Brennstoffzellensysteme die Vorteile von reichlich vorhandenen Elementen wie Sauerstoff und Wasserstoff und können mit einer einzigen Ladung eine Reichweite von mehr als 400 Meilen erzielen - und das in weniger als fünf Minuten. Leider bestehen die Katalysatoren, die für diese Reaktionen verwendet werden, aus Materialien, die entweder zu teuer sind (z. B. Platin) oder sich zu schnell abbauen, um praktikabel zu sein.

Zumindest bis jetzt. Mit der Entwicklung des neuen Zusatzmaterials können die Wissenschaftler einen preiswerten Eisen-Stickstoff-Kohlenstoff-Brennstoffzellenkatalysator haltbarer machen. Wenn es den chemischen Reaktionen zugesetzt wird, schützt das Additivmaterial Brennstoffzellensysteme vor zwei ihrer korrosivsten Nebenprodukte: instabile Teilchen wie Atome, Moleküle oder Ionen, die als freie Radikale bezeichnet werden, und Wasserstoffperoxid. Die Ergebnisse ihrer Experimente werden in der Fachzeitschrift Nature Energy veröffentlicht.

Reza Shahbazian-Yassar, Professor für Maschinenbau und Wirtschaftsingenieurwesen am UIC College of Engineering, und seine Kollegen setzten fortschrittliche bildgebende Verfahren ein, um die Reaktionen mit dem Material zu untersuchen, einem Zusatzstoff, der aus Tantal-Titanoxid-Nanopartikeln besteht, die die freien Radikale abfangen und deaktivieren. Die hochauflösende Darstellung der atomaren Strukturen ermöglichte es den Wissenschaftlern, die strukturellen Parameter zu definieren, die für die Wirkung des Zusatzstoffs erforderlich sind.

"In unserem Labor sind wir in der Lage, mit Hilfe der Elektronenmikroskopie hochdetaillierte, atomar aufgelöste Bilder der Materialien unter einer Vielzahl von Einsatzbedingungen aufzunehmen", so Shahbazian-Yassar, Mitautorin der Studie. "Durch unsere Strukturuntersuchungen erfuhren wir, was in der atomaren Struktur der Additive vor sich ging, und konnten die Größe und Dimensionen der Scavenger-Nanopartikel sowie das Verhältnis von Tantal und Titanoxid bestimmen. Dies führte zu einem Verständnis des richtigen Zustands der Mischkristalllegierung, den das Additiv benötigt, um die Brennstoffzelle vor Korrosion und Abbau zu schützen."

Die Experimente ergaben, dass eine feste Lösung aus Tantal und Titanoxid erforderlich ist und dass die Nanopartikel etwa fünf Nanometer groß sein sollten. Die Experimente ergaben auch, dass ein Verhältnis von 6:4 von Tantal zu Titanoxid erforderlich ist.

"Das Verhältnis ist der Schlüssel zu den Radikalfängereigenschaften des Nanopartikelmaterials, und die Festkörperlösung trug dazu bei, die Struktur der Umgebung aufrechtzuerhalten", sagte Shahbazian-Yassar.

Die Experimente zeigten, dass die Zugabe des Radikalfänger-Nanopartikelmaterials zu den Reaktionen von Brennstoffzellensystemen die Wasserstoffperoxidausbeute auf weniger als 2% - eine Verringerung um 51% - unterdrückte und den Stromdichteabfall der Brennstoffzellen von 33% auf nur 3% reduzierte.

"Brennstoffzellen sind eine attraktive Alternative zu Batterien, da sie eine größere Reichweite, ein schnelleres Aufladen, ein geringeres Gewicht und ein kleineres Volumen bieten, vorausgesetzt, wir finden wirtschaftlichere Methoden zur Trennung und Speicherung von Wasserstoff", so Shahbazian-Yassar. "In dieser Arbeit berichten wir über einen Ansatz, der uns der Verwirklichung von Brennstoffzellenfahrzeugen und anderen Brennstoffzellentechnologien deutlich näher bringt."

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