11.07.2022 - University at Buffalo

Neuer Eisenkatalysator könnte - endlich! - Wasserstoff-Brennstoffzellen erschwinglich machen

"Wir glauben, dass dies ein bedeutender Durchbruch ist, der letztendlich dazu beitragen wird, das enorme Potenzial von Wasserstoff-Brennstoffzellen zu erschließen"

Seit Jahrzehnten sind Wissenschaftler auf der Suche nach einem Katalysator, der die Kosten für die Herstellung von Wasserstoff-Brennstoffzellen drastisch senkt.

Ein solcher Fortschritt könnte zu einer grünen Energierevolution führen, bei der alles, von Laptops bis zu Lokomotiven, mit einem Brennstoff betrieben wird, dessen einziges Nebenprodukt Wasser ist.

Neue Forschungsarbeiten unter der Leitung der University at Buffalo deuten darauf hin, dass die Wissenschaftler diesem Ziel näher kommen.

In einer am Donnerstag (7. Juli) in Nature Energy veröffentlichten Studie beschreiben die Wissenschaftler, wie Eisen mit Stickstoff und Kohlenstoff kombiniert werden kann, um einen Katalysator herzustellen, der effizient, langlebig und kostengünstig ist - die drei Hauptziele, die das US-Energieministerium (DOE) für die Brennstoffzellenforschung festgelegt hat.

"Dies war ein jahrelanger Prozess", sagt der Hauptautor der Studie, Gang Wu, PhD, Professor für Chemie- und Bioingenieurwesen an der UB School of Engineering and Applied Sciences. "Wir glauben, dass dies ein bedeutender Durchbruch ist, der letztendlich dazu beitragen wird, das enorme Potenzial von Wasserstoff-Brennstoffzellen freizusetzen."

Das Versprechen von Brennstoffzellen

Laut DOE funktionieren Brennstoffzellen wie Batterien, aber sie verbrauchen keine Energie und müssen nicht aufgeladen werden. Sie erzeugen Strom und Wärme, solange Brennstoff - wie Wasserstoff - zugeführt wird.

Sie haben Wissenschaftler, Umweltschützer und andere schon lange fasziniert, weil sie im Vergleich zu Verbrennungsmotoren weniger oder gar keine Emissionen verursachen. Außerdem können sie in einem breiten Spektrum von Anwendungen eingesetzt werden und Strom für Fahrzeuge, Kraftwerke, Gebäude und andere Systeme liefern.

Brennstoffzellen sind jedoch noch nicht weit verbreitet, weil sie unter anderem teure Katalysatoren benötigen, die wichtige Brennstoffzellenreaktionen beschleunigen.

Die besten Katalysatoren sind eine Familie von sechs Edelmetallen, die als Platingruppenmetalle bekannt sind. Diese Metalle sind zwar effizient und langlebig, aber unglaublich teuer, weil sie extrem selten sind. Daher suchen die Wissenschaftler nach kostengünstigeren Alternativen.

Hindernisse überwinden

Eine solche Alternative sind Katalysatoren auf Eisenbasis. Eisen ist attraktiv, weil es reichlich vorhanden und preiswert ist. Es ist jedoch nicht so leistungsfähig wie Platin, vor allem, weil es nicht die nötige Haltbarkeit aufweist, um der stark korrosiven und oxidativen Umgebung in Brennstoffzellen standzuhalten.

Um dieses Hindernis zu überwinden, verband das Forscherteam vier Stickstoffatome mit dem Eisen. Anschließend betteten die Forscher das Material in einige Graphenschichten ein, "mit genauer atomarer Kontrolle der lokalen geometrischen und chemischen Strukturen", so Wu.

Die so entstandene Struktur ist ein erheblich verbesserter Katalysator. So berichtet das Forscherteam über den Katalysator:

  • Er gilt als der effizienteste bisher hergestellte Katalysator auf Eisenbasis und übertrifft das DOE-Ziel für die elektrische Stromdichte für 2025.
  • Er hat eine Haltbarkeit erreicht, die der von Katalysatoren der Platingruppe nahe kommt.

All dies, so Wu, deutet auf das Potenzial des eisenbasierten Katalysators hin, Brennstoffzellen, insbesondere Wasserstoffbrennstoffzellen, für den kommerziellen Einsatz wesentlich erschwinglicher zu machen. Die Forscher planen Folgestudien, um den Katalysator weiter zu verbessern.

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