Platin-Lanthan-Legierung ermöglicht effizientere Brennstoffzellen

von | 19. Okt 2022 - 11:20 | Technologien

Forscher entwickeln kostengünstigen Katalysator, der die Dekarbonisierung des Schwerlastverkehrs erleichtern könnte.

Neben der Elektromobilität gilt die Brennstoffzellentechnologie als Hoffnungsträger für einen klimafreundlichen Verkehr. Brennstoffzellen wandeln saubere Kraftstoffe wie Grünen Wasserstoff in elektrische Energie um, die dann einen Elektromotor antreibt. Aufgrund der größeren Reichweite, kürzerer Betankungszeiten und deutlich kleinerer benötigter Batterien sollen sie vor allem im Schwerlastverkehr zum Einsatz kommen.

Im Fokus der Entwicklung steht besonders die Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle. Sie punktet unter anderem mit kompakter Bauweise, einem hohen Wirkungsgrad und vergleichsweise niedrigen Betriebstemperaturen. Ein Nachteil sind die hohen Kosten, hauptsächlich durch den Einsatz von Edelmetallen wie Platin. Diese werden als hochwirksame Katalysatoren benötigt, um Strom aus Wasserstoff zu erzeugen. Da das Platin dabei starker Korrosion ausgesetzt ist, verliert es mit der Zeit jedoch an Effizienz – ein weiterer Nachteil.

Gesucht: Legierungspartner für Platin

Um einen kostengünstigen und widerstandsfähigen Katalysator zu entwickeln, machte sich ein Forschungsteam der Tsinghua University in Peking auf die Suche nach einem geeigneten Material für eine Platinlegierung. Dadurch sollte die benötigte Menge des Edelmetalls reduziert werden. Zugleich galt es dessen katalytische Eigenschaften zu unterstützen oder sogar zu verbessern, schreibt mining.com.

Geeignete Kandidaten könnten Berechnungen zufolge Yttrium und Scandium sein, da sich – anders als weitere Metalle wie Eisen oder Zink – in der korrosiven Umgebung der Brennstoffzelle nicht auflösen. Wegen ihrer Position im Periodensystem werden Yttrium und Scandium als frühe Übergangsmetalle bezeichnet. Eine Gruppe innerhalb dieser Elemente wurde bislang jedoch übersehen: die Seltenen Erden – obwohl sie wesentlich zur elektrochemischen Aktivität von Katalysatoren beitragen könnten, heißt es in einer Mitteilung der Tsinghua University Press. Das Problem dabei: Ihre schlechte Leitfähigkeit und Löslichkeit in sauren Medien stehen einer möglichen Legierung mit Platin im Weg. Synthetische Herstellungsverfahren könnten zwar beides überwinden, doch bislang seien nur wenige bekannt.

Neues Verfahren zur Legierung von Platin und Lanthan

Das Forschungsteam entwickelte daher eine neue Legierungsmethode für Platin und das Seltenerdmetall Lanthan. Die so entstandenen Platin-Lanthan-Nanopartikel wurden anschließend in einer Brennstoffzelle auf ihre Wirksamkeit getestet – mit Erfolg: Der Elektrokatalysator habe ihre Erwartungen übertroffen, so die Wissenschaftler, da er selbst nach 30.000 Brennstoffzellenzyklen noch eine hervorragende Stabilität und Aktivität aufweise. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in der Fachzeitschrift Nano Research.

Nachdem sich Lanthan nun als starker Legierungspartner für Platin bewährt hat, soll als nächstes untersucht werden, ob andere Seltene Erden diese Leistung möglicherweise noch übertreffen könnten.

Photo: iStock/Petmal

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