04. Jul 2019

Die Erstautoren der Forschungskooperation im Catalysis Research Center (CRC) der Technischen Universität München (TUM); im Bild, v.l.n.r.: Dr. Batyr Garlyyev (Physik), Kathrin Kratzl, M.Sc. (Chemie), Marlon Rück, M.Sc. (Elektrotechnik). Bild: TUM

Platin-Nanopartikel mit 40 Atomen. Messungen zeigten, dass diese Nanopartikel tatsächlich doppelt so aktiv sind, wie die besten handelsüblichen Brennstoffzellen-Katalysatoren. Bild: TUM

TUM: Modellierung zeigt optimale Grösse für Platin-Katalysatorpartikel für Brennstoffzellen

(TUM) 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.


Brennstoffzellen verwendete Platin selten und extrem teuer, was die Einsatzmöglichkeiten bislang stark einschränkte. Ein Forschungsteam der TU München 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.

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.

Text: Technischen Universität München (TUM)

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