Ein Katalysator, der Platin mit einem seltenen Erdmetall legiert

Tsinghua University Press

Bild: Platin-Lanthan-Nanopartikel fungieren als Elektrokatalysatoren, um die chemische Reaktion in einer Wasserstoff-Brennstoffzelle zur Erzeugung von Strom und Wasser zu beschleunigenmehr sehen

Bildnachweis: Nano Research, Tsinghua University Press

Forscher haben eine Methode entwickelt, um teures Platin und ein kostengünstiges Seltenerdelement, Lanthan, zu einer Legierung zu kombinieren, die als Katalysator in der nächsten Generation von Brennstoffzellen dient und deren Leistung verbessert und ihre Kosten senkt. Die Entwicklung dürfte die Dekarbonisierung jener schweren Transportfahrzeuge erleichtern, die für den Einsatz von Batterien als Antrieb weniger geeignet sind.

Die Methode wird in einem Artikel beschrieben, der am 22. September 2022 in der Zeitschrift Nano Research erschien.

Batterien haben möglicherweise den Kampf gegen Wasserstoff-Brennstoffzellen für den sauberen Antrieb von Autos gewonnen, aber für eine Reihe anderer Transportmittel ist es aufgrund einer Reihe von Hindernissen wie Gewicht und Volumen der Batterien schwierig, Verbrennungsmotoren durch Batterien zu ersetzen für die Art der von ihnen erbrachten Dienstleistungen erforderlich sein. Dies gilt insbesondere für Schwertransporte wie Schifffahrt, Luftfahrt und Fernverkehr. In diesen Fällen gehen die meisten Verkehrsanalysten davon aus, dass sie wahrscheinlich stattdessen auf eine Art sauberen Kraftstoff angewiesen sind.

Eine Brennstoffzelle ist in der Lage, Fahrzeuge und andere Maschinen anzutreiben, indem sie die chemische Energie von Wasserstoff in Strom umwandelt. Die einzigen anderen Ausgänge sind Wasser und Wärme. Bislang war der Brennstoffzellentyp, der in einer Reihe von Geräten, vom Satelliten bis zum Space Shuttle, am häufigsten verwendet wurde, die alkalische Brennstoffzelle, deren Erfindung fast ein Jahrhundert zurückreicht. Die nächste Generation dürfte eher wie eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle aussehen, die ebenfalls Wasserstoff zur Stromerzeugung nutzt, aber viel kompakter ist, was sie besonders für schwere Transportfahrzeuge attraktiv macht.

Der Schlüssel dazu, solche elektrochemischen Reaktionen effizienter zu machen – und damit die Kosten von Brennstoffzellen zu senken, um sie gegenüber der Verwendung fossiler Brennstoffe wettbewerbsfähiger zu machen – liegt in der Suche nach besseren Katalysatoren und Materialien, die diese Reaktionen beschleunigen.

Leider ist Platin von all diesen „Elektrokatalysatoren“, die die entscheidende chemische Reaktion (die Sauerstoffreduktionsreaktion oder ORR) ermöglichen, bei weitem der beste. Und Platin, ein seltenes Metall, ist nicht billig. Insbesondere für PEMFCs waren die unglaublich hohen Kosten von Platin ein großes Hindernis für ihre Einführung. Der schnelle Abbau dieses ohnehin schon teuren Elektrokatalysators in der hochkorrosiven PEMFC-Umgebung nach relativ wenigen Nutzungszyklen hat die Situation nur verschlimmert.

„Es ist also auf der Suche nach einem Elektrokatalysator, der kostengünstig, widerstandsfähiger gegen Zersetzung und damit über längere Zeiträume stabil ist und gleichzeitig eine beeindruckende Stromdichte liefert – mit anderen Worten die Menge an elektrischem Strom pro Volumeneinheit“, sagte er Siyuan Zhu, einer der Autoren des Papiers und Elektrochemiker am Changchun Institute of Applied Chemistry an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, „und so konnten wir das Versprechen der Kompaktheit von PEMFCs einhalten.“

Die wichtigste Option, die zur Kostensenkung in Betracht gezogen wird, besteht darin, die Menge an Platin, die als Elektrokatalysator benötigt wird, zu „verdünnen“, indem man es mit anderen, billigeren Metallen legiert, die die katalytischen Eigenschaften von Platin unterstützen oder sogar verbessern können.

Und die Hauptkandidaten für die Legierung mit Platin sind bisher die sogenannten späten Übergangsmetalle. Übergangsmetalle sind die Elemente, die Sie in der Mitte oder im D-Block des Periodensystems finden. Eisen, Mangan und Chrom sind Übergangsmetalle in der Mitte dieses Mittelblocks, und die „späten“ Übergangsmetalle wie Cadmium und Zink sind auf der rechten Seite davon zu finden.

Es hat sich jedoch gezeigt, dass späte Übergangsmetalle nicht immun gegen die Auflösung in der rauen, korrosiven PEMFC-Umgebung sind. Dies führt nicht nur zu stetigen Leistungseinbußen, sondern das gelöste Metall reagiert auch weiter mit Nebenprodukten der Sauerstoffreduktionsreaktion, was zu unkontrollierbaren Schäden am gesamten System führt.

Allerdings sind die frühen Übergangsmetalle, die auf der linken Seite des Mittelblocks im Periodensystem stehen, wie Yttrium und Scandium, viel stabiler. Theoretische Berechnungen haben gezeigt, dass Legierungen aus Platin und diesen beiden frühen Übergangsmetallen bisher die stabilsten sind.

Unter den frühen Übergangsmetallen wurde eine Gruppe bisher übersehen: die Seltenerdelemente (REEs). Trotz des Namens sind REEs in der Erdkruste tatsächlich weit verbreitet und können erheblich zur elektrochemischen Aktivität von Katalysatoren beitragen. Das Problem bei der Erforschung seltener Seltenerdmetalle als mögliche Legierungspartner für Platin liegt bislang also nicht in den Kosten, sondern in ihrer schlechten Leitfähigkeit und Löslichkeit in sauren Medien. Im Prinzip können diese beiden Probleme durch den Einsatz synthetischer Methoden zur Herstellung einer Platin-REE-Legierung überwunden werden. Bisher gibt es jedoch nur wenige Berichte über praktikable Synthesemethoden.

Deshalb entwickelten die Forscher eines zur Herstellung einer Legierung zwischen Platin und dem REE Lanthan.

Die Technik umfasst nur zwei einfache Schritte. Zunächst erhielten die Forscher leicht verfügbare Lanthansalze und Trimesinsäure, und diese beiden Vorläufermaterialien fügten sich dann selbst zu „Stäben“ im Nanomaßstab zusammen. Diese Nanostäbe wurden dann bei 900 °C mit Platin imprägniert. Diese sehr hohe Temperatur ist notwendig, um einen reibungslosen Legierungsprozess der beiden Metalle zu gewährleisten.

Die resultierenden Platin-Lanthan-Nanopartikel wurden dann auf ihre Leistung in einer Brennstoffzelle getestet. Der legierte Elektrokatalysator übertraf die Erwartungen der Forscher und lieferte selbst nach 30.000 Brennstoffzellenzyklen eine überlegene Stabilität und Aktivität.

Nachdem der Erfolg von Lanthan als Legierungspartner für Platin nachgewiesen wurde, wollen die Forscher nun versuchen, andere Seltenerdelemente mit Platin zu legieren, um zu sehen, ob sie die elektrokatalytische Leistung von Lanthan übertreffen können.

Das Papier ist auch auf SciOpen (https://www.sciopen.com/article/10.1007/s12274-022-4868-3) von Tsinghua University Press verfügbar.

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