q&more
Meine Merkliste
my.chemie.de  
Login  

News

Aktivität von Brennstoffzellen-Katalysatoren verdoppelt

Modellierung zeigt optimale Größe für Platin-Katalysatorpartikel

B. Garlyyev / TUM

Platin-Nanopartikel mit 40 Atomen.

04.07.2019: Einem interdisziplinären Forschungsteam der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, die Größe von Platin-Nanopartikeln für die Katalyse in Brennstoffzellen so zu optimieren, dass die neuen Katalysatoren doppelt so gut sind, wie die derzeit besten kommerziell verfügbaren Verfahren.

Statt aus Batterien könnten auch Brennstoffzellen den Strom für Elektroautos liefern. Sie verbrennen Wasserstoff – ein Gas, das beispielsweise aus überschüssigem Strom von Windkraftwerken erzeugt werden könnte. Allerdings ist das in Brennstoffzellen verwendete Platin selten und extrem teuer, was die Einsatzmöglichkeiten bislang stark einschränkte.

Ein Forschungsteam der TU München um Roland Fischer, Professor für Anorganische und Metallorganische Chemie, Aliaksandr Bandarenka, Professor für Physik der Energiewandlung und -speicherung und Alessio Gagliardi, Professor für Simulation von Nanosystemen zur Energieumwandlung, hat nun die Größe der Platin-Partikel so optimiert, dass sie doppelt so leistungsfähig sind wie die besten derzeit kommerziell verfügbaren Verfahren.

Ideal: Ein Platin-Ei von einem Nanometer Größe

In Brennstoffzellen reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser, dabei wird Elektrizität gewonnen. Um diesen Prozess optimal zu gestalten, braucht es raffinierte Katalysatoren auf den Elektroden. Platin spielt dabei für die Sauerstoff-Reduktions-Reaktion eine zentrale Rolle.

Um die ideale Lösung zu finden, modellierte das Team das Gesamtsystem am Computer. Die zentrale Frage: Wie klein kann ein Häuflein Platin-Atome werden, um noch katalytisch hochaktiv sein zu können. „Es zeigte sich, dass es bestimmte optimale Platin-Haufengrößen geben könnte“, erklärt Fischer, Professor für Anorganische und Metallorganische Chemie an der TU München.

Ideal sind danach etwa einen Nanometer große Partikel, die rund 40 Platinatome enthalten. „Platinkatalysatoren dieser Größe haben ein kleines Volumen, aber eine große Zahl an stark aktiven Stellen, was zu einer hohen Massenaktivität führt“, sagt Bandarenka.

Interdisziplinäre Zusammenarbeit

Einen wichtigen Anteil am Erfolg der Forschenden hat die interdisziplinäre Zusammenarbeit am Zentrum für Katalyseforschung (CRC). Theoretische Fähigkeiten bei der Modellierung, gemeinsame Diskussionen sowie physikalisches und chemisches Wissen aus Experimenten führen letztlich zu einem Modell, wie sich Katalysatoren idealerweise in Form, Größe und Größenverteilung der beteiligten Komponenten designen lassen.

Zudem gibt es am CRC auch das Knowhow, um die berechneten Platin-Nanokatalysatoren auch herzustellen und experimentell zu testen. „Dahinter steckt viel anorganische Synthesekunst“, sagt Kathrin Kratzl, neben Batyr Garlyyev und Marlon Rück, eine der drei Erstautoren der Studie.

Doppelt so gut wie der beste handelsübliche Katalysator

Das Experiment bestätigte die theoretischen Vorhersagen exakt. „Unser Katalysator ist doppelt so gut wie der beste handelsübliche Katalysator“, sagt Garlyyev. Noch reiche das nicht für kommerzielle Anwendungen aus, hier sei eine Reduzierung der Platinmenge von jetzt 50 auf bis zu 80 Prozent notwendig.

Neben sphärischen Nanopartikeln erhoffen sich die Forschenden von weitaus komplexeren Formen eine höhere katalytische Aktivität. Genau für solche Modellierungen sind die jetzt etablierten Rechenmodelle ideal. „Allerdings erfordern komplexere Formen noch komplexere Synthesemethoden“, sagt Bandarenka. Gemeinsame rechnerische und experimentelle Studien werden dabei in Zukunft immer wichtiger.

Originalveröffentlichung:
Batyr Garlyyev, Kathrin Kratzl, Marlon Rück, Jan Michalicka, Johannes Fichtner, Jan M. Macak, Tim Kratky, Sebastian Günther, Mirza Cokoja, Aliaksandr S. Bandarenka, Alessio Gagliardi und Roland A. Fischer; "Optimizing the Size of Platinum Nanoparticles for Enhanced Mass Activity in the Electrochemical Oxygen Reduction Reaction"; Angewandte Chemie May 3, 2019

Fakten, Hintergründe, Dossiers

Mehr über TU München

  • News

    Benzol in Kirschsaft: Wie kommt es dazu und wie kann man es vermeiden?

    Im Jahr 2013 fand die Stiftung Warentest in Getränken mit Kirschgeschmack gesundheitsgefährdendes Benzol. Doch wie war die Substanz in die Getränke gelangt? War Benzaldehyd als wesentliche Komponente des Kirscharomas die Quelle? Und wenn ja, wie ließe sich das Problem beheben? Eine neue Stu ... mehr

    Zuckerstrukturen auf Viren und Tumorzellen blockieren

    Bei einer Virusinfektion gelangen Viren in den Organismus und vermehren sich in den Körperzellen. Viren setzen sich oft gezielt auf die Zuckerstrukturen der Zellen ihres Wirts oder präsentieren ihrerseits charakteristische Zuckerstrukturen auf ihrer Oberfläche. Forscher der TUM haben ein ne ... mehr

    Sicher vor Über- oder Unterdosierung

    Mit einer Mixtur aus Öl und Hydrogel lassen sich medizinische Wirkstoffe nicht nur genau dosieren, sondern auch über Zeiträume von bis zu mehreren Tagen kontinuierlich verabreichen. Die Wirkstoffe, die sich im Inneren der aktiven Tröpfchen befinden, werden nach und nach freigesetzt. Die Gef ... mehr

  • q&more Artikel

    Ein Geschmacks- und Aromaschub im Mund

    Der Ernährungstrend hin zu gesünderen Snacks ist ungebremst. Snacks aus gefriergetrockneten Früchten erfüllen die Erwartungen der Verbraucher an moderne, hochwertige Lebensmittel. Allerdings erfordert die Gefriertrocknung ganzer Früchte lange Trocknungszeiten und ... mehr

    Ernährung, Darmflora und Lipidstoffwechsel in der Leber

    Die Natur bringt eine enorme Vielfalt an Lipidmolekülen hervor, die über unterschiedliche Stoffwechselwege synthetisiert werden. Die Fettsäuren sind Bausteine verschiedener Lipide, einschließlich Zellmembranlipiden wie die Phospholipide und Triacylglyceride, die auch die Hauptkomponenten de ... mehr

    Translation

    Die Struktur der chemischen und pharmazeutischen Großindustrie hat sich gewandelt. Traditionelle Zentralforschungsabteilungen, in denen grundlagennahe Wissenschaft ­betrieben wurde, sind ökonomischen Renditebetrachtungen zum Opfer gefallen. mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Ulrich Kulozik

    Ulrich Kulozik, Jahrgang 1955, studierte Lebensmitteltechnologie an der Technischen Universität München, wo er 1986 promovierte und sich 1991 für die Fächer Lebensmittel- und Bio-Prozesstechnik habilitierte. Er war bis 1999 u.a. als Department Manager Process & Product Development und Strat ... mehr

    Mine Ozcelik

    Mine Ozcelik, Jahrgang 1984, schloss an der Universität Ankara (Türkei) ihr Studium in Chemieingenieurwesen 2008 mit dem Bachelor und 2012 mit dem Master of Engineering ab. Ab September 2008 arbeitete sie in der Lebensmittelindustrie als F&E- und Laborleiterin in Ankara, wo sie die ersten F ... mehr

    Dr. Josef Ecker

    Josef Ecker, Jahrgang 1978, studierte Biologie an der Universität in Regensburg. Er promovierte 2007 und forschte danach als Postdoc am Uniklinikum in Regensburg am Institut für Klinische Chemie. Nach einer anschließenden mehrjährigen Tätigkeit in der Industrie im Bereich der Geschäftsführu ... mehr

q&more – die Networking-Plattform für exzellente Qualität in Labor und Prozess

q&more verfolgt den Anspruch, aktuelle Forschung und innovative Lösungen sichtbar zu machen und den Wissensaustausch zu unterstützen. Im Fokus des breiten Themenspektrums stehen höchste Qualitätsansprüche in einem hochinnovativen Branchenumfeld. Als moderne Wissensplattform bietet q&more den Akteuren im Markt einzigartige Networking-Möglichkeiten. International renommierte Autoren repräsentieren den aktuellen Wissenstand. Die Originalbeiträge werden attraktiv in einem anspruchsvollen Umfeld präsentiert und deutsch und englisch publiziert. Die Inhalte zeigen neue Konzepte und unkonventionelle Lösungsansätze auf.

> mehr zu q&more

q&more wird unterstützt von:

 

Ihr Bowser ist nicht aktuell. Microsoft Internet Explorer 6.0 unterstützt einige Funktionen auf Chemie.DE nicht.