US-Team entwickelt neuartigen Kohlenstoffträger – Brennstoffzellen-Katalysator behält nach 150.000 Zyklen 85 % Leistung

de.wedoany.com-Bericht: Ein Team unter der Leitung von Gang Wu, Inhaber des Elvera- und William-R.-Stuckenberg-Lehrstuhls an der McKelvey School of Engineering der Washington University in St. Louis, hat gemeinsam mit Teams des Brookhaven National Laboratory, des Lawrence Berkeley National Laboratory, der Northeastern University und der University of Pittsburgh Fortschritte bei Katalysatoren für Niedertemperatur-Brennstoffzellen erzielt. Sie entwickelten einen neuartigen nanostrukturierten Kohlenstoffträger, mit dem sich hochaktive und hochstabile Platin-Kobalt-Intermetall-Nanopartikel bei hohen Temperaturen herstellen lassen. Die Ergebnisse wurden am 6. August 2026 in Nature Nanotechnology veröffentlicht.

Eines der realen Probleme, auf das sich diese Technologie richtet, ist der Stromverbrauch von Rechenzentren. Der starke Anstieg neuer Rechenzentren in den USA hat den Strombedarf für deren Betrieb und Kühlung in die Höhe getrieben. Das Electric Power Research Institute schätzt, dass der Stromverbrauch von Rechenzentren bis 2030 etwa 9 % der jährlichen Stromerzeugung der USA erreichen könnte, während dieser Anteil 2023 noch bei etwa 4 % lag. Wu erklärte, dass die Belastung des Stromnetzes verringert werden könnte, wenn Rechenzentren sich über Brennstoffzellen selbst mit Strom versorgen könnten, indem Wasserstoff und andere Brennstoffe direkt in elektrische Energie umgewandelt werden.

Das Prinzip einer Brennstoffzelle besteht darin, mit Hilfe von Katalysatoren Wasserstoff und Sauerstoff zu kombinieren, um elektrische Energie, Wasser und Wärme zu erzeugen. Katalysatoren beschleunigen die Reaktionen, reduzieren Energieverluste und verbessern die Gesamtleistung sowie die langfristige Haltbarkeit. Die aktuelle Herausforderung liegt im Katalysatordesign, da die Aktivität und Haltbarkeit vorhandener Materialien noch nicht ausreichen, um die Leistungsziele zu erreichen.

Platin ist ein ideales Katalysatormaterial, gehört jedoch zu den Edelmetallen; das Ziel ist es, seine Menge so weit wie möglich zu reduzieren, ohne die katalytische Leistung zu beeinträchtigen. Durch die Herstellung von Platin-Nanopartikeln lässt sich die exponierte Oberfläche erheblich vergrößern, wobei die Menge üblicherweise unter einem Viertel Milligramm pro Quadratzentimeter liegen kann. Während des Brennstoffzellenbetriebs können die Nanopartikel jedoch auflösen, wandern und wachsen, was zu einem allmählichen Leistungsabfall führt.

Neuartige platinbasierte intermetallische Katalysatoren sind hinsichtlich katalytischer Aktivität und Stabilität vielversprechender als herkömmliche Platinlegierungen. Um die Nanopartikel gut dispergiert zu halten und die Platinnutzung zu maximieren, werden die meisten Katalysatoren derzeit bei Temperaturen unter 700 °C getempert. Diese Temperatur reicht jedoch nicht aus, um den vollständigen atomaren Ordnungs-Unordnungs-Übergang anzutreiben, der für die Verbesserung der Aktivität und Stabilität intermetallischer Katalysatoren entscheidend ist.

Der von Wus Team entwickelte neuartige nanostrukturierte Kohlenstoff – hohle poröse Kohlenstoffkugeln, geordnete radiale Nanokanäle sowie hohe Porosität und spezifische Oberfläche – löste diese Probleme. Dieses einzigartige Kohlenstoffmaterial ermöglicht die Bildung hochdichter, gut dispergierter Platin-Kobalt-Intermetall-Nanopartikel bei hohen Temperaturen, während die gleichmäßige Verteilung der Nanopartikel erhalten bleibt, wodurch das Dilemma zwischen atomarer Ordnung und gleichmäßiger Partikelverteilung überwunden wird.

Das Forschungsteam erhitzte den Platin-Kobalt-Katalysator auf 1000 °C, was ausreicht, um eine hochgeordnete Struktur zu bilden, während die Nanopartikel unter 5 Nanometern und gleichmäßig verteilt blieben – selbst bei hohen Platingehalten, die in der Industrie bevorzugt werden. Der Träger behielt nach 150.000 Spannungszyklen 85 % seiner Leistung, was etwa 25.000 Betriebsstunden entspricht. Üblicherweise wird bei der Synthese größerer Partikel Stabilität auf Kosten der Aktivität erkauft; andere Bemühungen zur Verbesserung der Stabilität führen oft zu Aktivitätsverlusten. Dieser Kohlenstoffträger überwindet dank seiner größeren Poren, geordneten Porengrößen und der enormen spezifischen Oberfläche den Zielkonflikt zwischen Aktivität und Stabilität.

Wu erklärte, dass die offene Kanalstruktur zur gleichmäßigen Verteilung ionenhaltiger Materialien wie Ionomer beiträgt und den Transport von Protonen, Sauerstoff und Wasser in der Elektrode fördert. Die in diesen Träger eingebetteten Platin-Kobalt-Nanopartikel zeigen dadurch eine bessere Leistung und langfristige Haltbarkeit. Wu hat für diese Technologie über das Office of Technology Management der Washington University ein Patent angemeldet. Er erklärte, dass mit weiterer Entwicklung und industrieller Zusammenarbeit die verbleibenden Herausforderungen bei Katalysatoren gelöst und eine effizientere und nachhaltigere Anwendung der Brennstoffzellentechnologie vorangetrieben werden könnten.