Forscher haben herausgefunden, dass die Zugabe von Wasserstoff zu einem Eisen-Stickstoff-Kohlenstoff-Katalysator die Kosten klimafreundlicher Brennstoffzellen deutlich senken könnte. Seit Jahren arbeiten Forscher unermüdlich daran, kostengünstige Alternativen zu Platin und anderen teuren Metallen zu finden, die in Brennstoffzellen verwendet werden. Der Schwerpunkt ihrer Arbeit liegt auf der Erforschung verschiedener Kombinationen von Eisen, Stickstoff und Kohlenstoff, drei leicht verfügbaren und kostengünstigeren Materialien.
Allerdings ist es keine leichte Aufgabe, ein Gleichgewicht zwischen Haltbarkeit und Effizienz dieser Eisen-Stickstoff-Kohlenstoff-Katalysatoren zu finden, weshalb der Prozess mit Herausforderungen behaftet ist. Obwohl es ihnen gelungen ist, Katalysatoren langlebig oder leistungsstark zu machen, bleibt die gleichzeitige Erreichung beider Eigenschaften eine große Hürde.
Eine neue Studie der Universität Buffalo könnte eine Lösung bieten. In der Fachzeitschrift Nature Catalysis berichten Forscher, wie durch die Zugabe von Wasserstoff während des Herstellungsprozesses leistungsstarke Katalysatoren entstehen, die der Leistung von Platin nahe kommen.
Die Entwicklung stellt einen großen Fortschritt im Potenzial der Brennstoffzellentechnologie dar, die dazu beitragen kann, Autos, Lastwagen, Züge, Flugzeuge und andere schwere Nutzfahrzeuge mit schadstofffreiem Strom zu versorgen.
„Seit Jahren versucht die wissenschaftliche Gemeinschaft, diesen Kompromiss auszugleichen. Wir können wirksame Substanzen zu geringen Kosten herstellen, aber sie werden zu leicht abgebaut. Oder wir können sehr stabile Substanzen herstellen, deren Leistung jedoch nicht mit der von Platin vergleichbar ist.“ „Mit dieser Arbeit machen wir einen Schritt in Richtung Lösung dieses Problems“, sagte Dr. Gang Wu, korrespondierender Autor der Studie und Professor am Fachbereich Chemie- und Bioingenieurwesen der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Angewandte Wissenschaften.
Die Arbeit baut auf früheren Forschungsarbeiten unter der Leitung von Wu auf, in denen Eisen-Stickstoff-Kohlenstoff-Katalysatoren beschrieben wurden, die zwar langlebig sind, aber Schwierigkeiten haben, wichtige chemische Reaktionen in Brennstoffzellen zu beschleunigen.
Die neue Forschung befasst sich mit dieser Einschränkung in einem Herstellungsprozess namens Pyrolyse, bei dem extrem hohe Temperaturen zum Kombinieren von Materialien verwendet werden.
Während des Pyrolyseprozesses kombinierten die Forscher in einer Hochtemperaturkammer vier Stickstoffatome mit Eisen. Anschließend betteten sie das Material in mehrere Schichten Graphen ein, einen robusten, leichten und flexiblen Kohlenstoff.
Typischerweise wird dieser Prozess in einer Kammer durchgeführt, die mit einem Inertgas wie Argon gefüllt ist. Doch dieses Mal schickten die Forscher Wasserstoffgas in die Kabine und bildeten eine Mischung aus 90 % Argon und 10 % Wasserstoff.
Dadurch konnten die Forscher die Zusammensetzung des Katalysators genauer steuern. Insbesondere konnten sie zwei verschiedene Eisen-Stickstoff-Kohlenstoff-Verbindungen – eine mit 10 Kohlenstoffatomen und die andere mit 12 Kohlenstoffatomen – an Positionen platzieren, die zur Erhöhung der Haltbarkeit und Effizienz beitrugen.
Der resultierende Katalysator erreichte die anfängliche Leistung einer Brennstoffzelle und übertraf damit die Ziele des Energieministeriums für 2025 deutlich. Es hat sich als langlebiger erwiesen als die meisten Eisen-Stickstoff-Kohlenstoff-Katalysatoren und kommt den typischen Kathoden mit niedrigem Platingehalt nahe, die in Brennstoffzellen verwendet werden.
Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily