19.10.2010 - Angewandte Chemie

Platin sparen

Atomare Platinschicht auf Wolframcarbid-Träger katalysiert elektrolytische Wasserstoffherstellung effektiv und kostengünstig

Wasserstoff ist einer der aussichtsreichsten Energieträger der Zukunft. Die Elektrolyse von Wasser mittels Wind- oder Sonnenenergie ist das Verfahren der Wahl für die Wasserstofferzeugung ohne Emissionen von Kohlendioxid. Art und Beschaffenheit des wasserstoffentwickelnden Katalysators, meist Platin, sind dabei von entscheidender Bedeutung für die Effizienz und die Kosten des Elektrolysesystems. Jingguang G. Chen und ein Team von der University of Delaware (USA) stellen in der Zeitschrift Angewandte Chemie nun eine Methode vor, wie sich das teure Platin ohne Leistungseinbußen einsparen lässt: durch Auftragen einer atomaren Platinschicht auf einen kostengünstigen Träger aus Wolframcarbid.

Die Wasserspaltung per Elektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff funktioniert nur effizient, wenn die Kathode, die negative Elektrode der Zelle, mit einem leistungsfähigen Katalysator ausgestattet ist. Platin wäre hier an sich Material der Wahl, denn es ist sehr aktiv - leider aber sehr teuer mit aktuell etwa 52 Dollar pro Gramm. „Sein hoher Preis und begrenzter Bestand sind einer der größten Hemmschuhe auf dem Weg zur Wasserstoff-Massenproduktion durch Elektrolyse,“ erläutert Chen.

Die bisherigen Lösungsansätze, Platin einzusparen, indem Platinpartikel auf ein Trägermaterial aufgebracht werden, waren noch nicht effizient genug. Oft sitzen dabei die meisten Platinatome zu weit im Innern poröser Träger und sind dadurch von der Reaktion abgeschirmt. Chen: „ Wir hatten das Ziel, eine Lage einzelner Platinatome auf ein kostengünstiges flächiges Substrat aufzubringen, sodass alle Platinatome auch zur Reaktion beitragen können.“

Das Problem dabei: Wird eine solche atomare Monolage eines Metalls auf einen Träger aufgebracht, treten die Atome mit der Unterlage in Wechselwirkungen. Die elektronische Struktur der Atome kann sich ändern, denn die Abstände zwischen den einzelnen Atomen der Schicht können anders ausfallen als im Reinstoff. Außerdem können die Bindungen zu Atomen der Unterlage zu unerwünschten Effekten führen. Dadurch werden die katalytischen Eigenschaften in erheblichem Maße gestört.

Chen und sein Team wählten Wolframcarbid als Träger, einen Stoff, der sehr ähnliche Eigenschaften wie Platin aufweist und dabei kostengünstig ist. Sie stellten dünne Filme aus Wolframcarbid auf einem Wolframsubstrat her und dampften Platinatome auf. Wie sich zeigte, weichen die chemischen und elektronischen Eigenschaften einer solchen atomaren Monolage Platin auf Wolframcarbid nicht wesentlich von denen eines Platinblocks ab. Entsprechend überzeugend fällt die katalytische Leistung der geträgerten Platin-Monolage aus.

„Wolframcarbid ist damit das ideale Substrat für Platin,“ sagt Chen. „Man kommt mit wesentlich geringeren Platinmengen aus und spart so ganz erheblich Kosten ein - möglicherweise nicht nur bei der Wasserelektrolyse, sondern auch bei anderen platinkatalysierten Verfahren.“

Originalveröffentlichung: Jingguang G. Chen et al.; "Low-Cost Hydrogen-Evolution Catalysts Based on Monolayer Platinum on Tungsten Monocarbide Substrates"; Angewandte Chemie 2010

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